Градиентные датчики теплового потока в нестационарной теплометрии

Актуальность темы

В современных исследованиях процессов теплообмена возрастает доля и значение результатов, полученных вычислительными методами, в то время как их верификация отстает как по уровню, так и по количеству работ. Одновременно становится ясным, что компьютерная запись и обработка сигналов различных датчиков (давления, скорости, температуры, теплового потока и пр.) дает весьма широкие возможности, тогда как арсенал датчиков обновляется медленно, а потому все менее соответствует возможностям регистрирующей аппаратуры.

Высокая информативность нестационарной теплометрии делает ее актуальной в самых различных разделах теплотехнического эксперимента. При этом важно использовать, помимо традиционных, и малоизвестные датчики — такие, например, как градиентные датчики теплового потока (ГДТП).

Цель и задачи работы. Предлагается реализовать новый подход к нестационарной теплометрии, использовав в экспериментах ГДТП. При этом необходимо решить следующие основные задачи:

1. Исследовать динамические характеристики ГДТП, связав их конструкцию и размеры с чувствительностью и инерционностью. Определить вид передаточных функций и частотный предел, в котором возможны измерения.

2. Изучить возможности ГДТП как при решении известных задач конвективного теплообмена, так и при получении новой информации о нестационарных тепловых потоках: при исследовании локального теплообмена на поверхностях с турбулизаторами, в сферических лунках и т. д.

3. Создать устройства и разработать методику регистрации нестационарных радиационных и радиационно-конвективных тепловых потоков.

Предметом исследования являются, в первую очередь, сами датчики теплового потока, а также методика их градуировки, техника использования в эксперименте, регистрация сигнала, обработка и анализ результатов нестационарной теплометрии.

Методы исследования включают физический эксперимент над ГДТП различных размеров и конструкций, а также теплотехнические эксперименты, в которых ГДТП играют роль измерительного преобразователя. В работе используется математическое моделирование тепловых процессов в ГДТП и в устройствах, созданных на их основе, компьютерная обработка сигнала датчиков и ряд вспомогательных методик, связанных с постановкой экспериментов.

Научная новизна работы определяется тем, что в ней впервые исследованы динамические характеристики ГДТП. Получены, кроме того, новые данные о параметрах пульсирующего теплового потока на поверхности поперечно обтекаемого цилиндра, о влиянии турбулизаторов на местный и средний коэффициент теплоотдачи. Исследован теплообмен в сферической лунке, выполненной на изотермической пластине. Впервые экспериментально получена зависимость локального теплового потока на стенке камеры сгорания дизельного двигателя от угла поворота коленчатого вала.

Практическая ценность работы состоит в том, что ГДТП позволяют существенно расширить возможности нестационарной теплометрии процессов, протекающих при характерных частотах вплоть до 20 кГц.

В работе показано, что ГДТП надежно и объективно фиксируют практически мгновенные значения теплового потока на сравнительно л малых (до 1 мм) поверхностях в различных условиях опыта.

Самостоятельную ценность имеет также конструкция специального чувствительного элемента, разработанная в ходе работы и описанная в главе 4.

На защиту выносятся:

1. Результаты исследования динамических характеристик ГДТП: независимость постоянной времени от толщины датчика, вид передаточной функции, модель переходных тепловых процессов в ГДТП.

2. Данные о локальных и усредненных значениях коэффициентов теплоотдачи при вынужденной конвекции на поперечно обтекаемом изотермическом цилиндре, на цилиндре с турбулизаторами, в сферической лунке, а также при свободной конвекции на вертикальной изотермической пластине. Параметры нестационарности теплового потока, полученные в этих исследованиях: дисперсия и распределение спектра пульсаций плотности теплового потока по частотам, сопоставление пульсаций потока с пульсациями давления. Сведения об интенсификации теплообмена на поперечно обтекаемом цилиндре при различном расположении турбулизаторов. Результаты измерения локальных тепловых потоков на поверхности сферической лунки.

3. Конструкция, физическая модель, градуировка и результаты исследования чувствительного элемента для регистрации мощного теплового излучения.

4. Методика и результаты исследования локальных тепловых потоков на стенке камеры сгорания дизельного двигателя, полученные в различных режимах, как функция угла поворота коленчатого вала.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, списка обозначений, четырех глав, заключения, выводов, библиографического.

ВЫВОДЫ.

1. Постоянная времени ГДТП не зависит от его толщины и определяется только конструкцией и свойствами материалов. Для ГДТП, использованных в работе, постоянная времени составила 0,05 мс. Предельно достижимое для ГДТП на основе висмута значение равно, по данным расчетов, 0,01 мс.

2. В ходе опытов на гладком цилиндре впервые экспериментально получены кривые пульсаций плотности теплового потока и дисперсии этой плотности в зависимости от угла 0 < (р < 180° при числах Рейнольдса Яе < 2,5 • 105.

3. Впервые получены статистические характеристики пульсаций теплового потока. Установлено, что в частотном спектре пульсаций теплового потока на стенке гладкого цилиндра выделяются несущие частотыво всем диапазоне (р и Яе они лежат в пределах 1−4 Гц и повышаются с ростом числа Рейнольдса.

4. Экспериментально показано, что на изотермической поверхности гладкого цилиндра средний по окружности коэффициент теплоотдачи можно определить из уравнения подобия.

N?4 = 0,29 ¦ Яе0'55, которое отличается от уравнения, справедливого при действии на поверхности цилиндра теплового потока постоянной плотности.

5. Установлено, что турбулизаторы в виде двух проволок диаметром 1,5−2 мм, установленных вдоль образующих на поперечно обтекаемом цилиндре под углом ±-у/, повышают местные и средний по поверхности коэффициенты теплоотдачи. Так при Яе = 9 -104 и (// - 55° местный коэффициент теплоотдачи повышается в 4,5- а средний — в 1,25 раза.

6. При исследовании конвективного теплообмена на поверхности сферической лунки с относительной глубиной 0,139, выполненной на гладкой изотермической пластине, установлено, что в диапазоне чисел Рейнольдса 2,5 • 104 < Яе < 6,5 • 104 средний коэффициент теплоотдачи, отнесенный к его значению на гладкой пластине, возрастает «с насыщением» от 0,98 до 1,18. Выявлено, как меняется распределение тепловых потоков в различных частях лунки в зависимости от числа Рейнольдса.

7. Исследование свободноконвективного теплообмена вблизи вертикальной изотермической пластины подтвердило данные, полученные ранее методами термоанемометрии, и показало, что интенсивность турбулентных пульсаций температуры и теплового потока максимальны в диапазоне чисел Грасгофа 109 < Огх < 1011.

Спектр пульсаций теплового потока качественно не отличается от аналогичного спектра для температуры, имеет, в различных точках пластины, максимумы вблизи 3,5 и 7 Гц, а минимумвблизи 5 Гц.

8. Разработанная конструкция экранированного чувствительного л элемента для регистрации излучения плотностью 0,5−10 Вт/м позволила обеспечить выходной сигнал ГДТП до 4,8 В при максимальной экспозиции до 30 с. Предложенная модель позволяет прогнозировать тепловое состояние элемента в зависимости от его размеров и физических свойств материалов.

9. Измерение местного теплового потока на стенке крышки блока цилиндров дизельного двигателя показало наличие «двойного максимума» вблизи верхней мертвой точки и выявило неравномерность кривых в соседних циклах за счет погрешности в дозировке топлива. Получены временные зависимости плотности теплового потока от угла поворота коленчатого вала в диапазоне от 250 до 1320 об/мин как без топливоподачи, так и при сгорании топлива в цилиндре.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Использование ГДТП в нестационарной теплометрии показало, что датчики этого типа как новый и достаточно эффективный инструмент исследования позволяют существенно расширить и углубить современные представления о различных видах теплообмена, а также решить ряд интересных прикладных задач.

Принципиально важно, что ГДТП равно пригодны к измерениям тепловых потоков и на изотермических поверхностях, и на поверхностях, разогреваемых электрическим током, потоком излучения и т. п. В этом состоит главное — отличие предлагаемой методики от оценки тепловых потоков по результатам термометрии.

Реализованная в работе компьютерная запись и обработка сигнала позволяют оценить параметры пульсирующих тепловых потоков, определить частоты, «ответственные» за перенос энергии, провести верификацию вычислительных экспериментов, в том числе — связанных с моделированием турбулентности.

Динамические характеристики ГДТП достаточно необычны: наибольшую практическую ценность представляет, пожалуй, тот установленный в работе факт, что постоянная времени датчиков не зависит от их толщины. Это позволяет, помимо прочего, уменьшить погрешность измерения, связанную с искажением температурного поля за счет присутствия датчика, и выделить погрешность, связанную с собственной инерционностью ГДТП.

В дальнейшем предполагается использовать ГДТП в детальном исследовании теплообмена на поверхностях с лунками и другими турбулизаторами, при изучении сложного теплообмена в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания, а также применить ГДТП в качестве чувствительных элементов в устройствах для измерения потоков излучения, расходов жидкостей и газов, силы электрического тока и др. Во многом эти задачи становятся реальными именно благодаря установленным в настоящей работе динамическим характеристикам ГДТП и первым результатам нестационарной теплометрии в процессах конвективного, радиационного и сложного теплообмена, полученным с их применением.