Математическое моделирование интенсифицированного теплообмена при турбулентном течении в каналах

Теплообменные аппараты находят очень широкое применение и играют большую роль в энергетике, химической промышленности, нефтеперабатывающей промышленности, в холодильной технике, в криогенной технике, а также в тепловых двигателях.

В авиационной технике теплообменные устройства также нашли широкое применение для охлаждения элементов двигателей и конструкций летательных аппаратов, приборных отсеков и кабин самолетов Такие теплообменники должны обладать малыми габаритными размерами и массой, должны обладать высокой эксплуатационной надежностью.

Самым перспективным путем увеличения компактности теплообменных аппаратов является интенсификация теплообмена в каналах Следовательно, проблема интенсификации теплообмена в каналах является актуальнейшей в данном отношении.

Имеющиеся многочисленные исследования по интенсификации теплообмена, число которых год от года растет, постулируют противоречивые результаты С другой стороны, методы интенсификации теплообмена, предлагаемые в вышеупомянутых исследованиях, не всегда высокоэффективны и (или) высокотехнологичны Сложившаяся ситуация в отношении различных методов исследований интенсификации теплообмена вносит значительные затруднения в их оценку, а также обоснованный выбор эффективности метода интенсификации теплообмена Вышесказанное редуцирует использование различных методов интенсификации теплообмена, что, в свою очередь, приводит к повышенным экономическим потерям и затормаживает дальнейшее совершенствование выпускаемой продукции, приводит к повышенной металлоемкости последней.

В данной диссертационной работе уделяется основное внимание возможности расчета теплообмена и гидравлического сопротивления при использовании интенсификации теплообмена в каналах посредством искусственной турбулизации потока при турбулентном течении в них однофазных теплоносителей на основе математического моделирования реализуемых процессов течения и теплообмена.

Данная диссертационная работа посвящена решению актуальной научной проблемы — математическому моделированию интенсифицированного теплообмена при турбулентном течении в каналах с искусственной турбулизацией потока в пристенной области течения для теплоносителей с постоянными и переменными те-плофизическими свойствами по толщине пограничного слоя с целью выработки рекомендаций по созданию высокоэффективных теплообменных аппаратов за счет вихревой интенсификации теплообмена, приводящей к опережающему росту теплообмена над ростом гидравлического сопротивления при определенном выборе геометрических и режимных параметров.

Актуальность темы

диссертации обусловлена тем, что теплообменные аппараты, входящие в состав энергетических и двигательных установок космических и других летательных аппаратов могут определять массогабаритные и рабочие характеристики этих установок и аппаратов и что исследование процессов интенсификации теплообмена имеет большое значение для снижения массогабаритных характеристик и повышения эффективности авиационно-космической техники.

Большое значение выполненные исследования имеют и для энергетики и для других областей техники Исследования интенсифицированного теплообмена открывают пути создания энергосберегающих и материалосберегающих технологий на базе разработанных в диссертации фундаментальных основ математического моделирования процессов интенсифицированного теплообмена.

Наиболее существенные результаты, полученные в рамках данной диссертационной работы лично соискателем, можно охарактеризовать следующим образом.

Результаты математического моделирования изотермических теплообмена и гидравлического сопротивления при турбулентном течении в каналах с периодически расположенными поверхностными турбулизаторами на основе разработанной автором модифицированной четырехслойной модели турбулентного пограничного слоя, которая, в отличие от существующих моделей, была модифицирована для условий капельных жидкостей для высоких турбулизаторов и широкого диапазона шагов между турбулизаторами и для плавно очерченных турбулизаторов Это модель пограничного слоя применима для высоких чисел Рейнольдса (Ке>106) и позволяет рассчитать теплообмен не только для гладких, но и для шероховатых труб с турбулизаторами.

Результаты математического моделирования на основе интегральных соотношений для турбулентного пограничного слоя При этом было получено аналитическое решение задачи о теплообмене на основе интегральных соотношений для турбулентного пограничного слоя Кутателадзе—Леонтьева для круглых труб с турбулизаторами и для продольно омываемых пучков труб с поперечным оребрением Аналитические решения позволили существенно расширить диапазон определяющих параметров.

Численное моделирование гидродинамики и теплообмена в каналах с турбулизаторами с помощью зональной низкорейнольдсовой модели Ментера с учетом влияния формы выступов, их высоты и шага, а также числа Рейнольдса на интегральные характеристики, а также влияния геометрических и режимных параметров на структурные особенности течения и локальную теплоотдачу.

Проведено математическое моделирование неизотермического теплообмена и гидравлического сопротивления при турбулентном течении в каналах с периодически расположенными поверхностными турбулизаторами, как для газообразных теплоносителей, так и для несжимаемой жидкости.

Проведено математическое моделирование неизотермического теплообмена и гидравлического сопротивления при течении реактивного топлива сверхкритических давлений в условиях интенсификации теплообмена.

Проведено математическое моделирование теплообмена и гидравлического сопротивления в кольцевых и плоских каналах с периодически расположенными поверхностными турбулизаторами, а также в продольно обтекаемых пучков труб с поперечным оребрением.

Получены расчетные зависимости для радиуса максимальной скорости для кольцевых каналов с турбулизаторами.

Проведено математическое моделирование предельных изотермических и неизотермических теплообмена и гидравлического сопротивления посредством тур-булизации потока в каналах на основе двухслойной и трехслойной моделей турбулентного пограничного слоя.

Проведен численный расчет предельного изотермического сопротивления в шероховатых трубах малого диаметра.

Проведено математическое моделирование предельного изотермического теплообмена при применении ленточных закручивателей в трубах с турбулизаторами.

Осуществлено математическое моделирование предельного изотермического теплообмена в кольцевых и плоских каналах с турбулизаторами на основе шести-слойной модели турбулентного пограничного слоя с применением гипотезы о расположении точек максимальной скорости.

Проведено математическое моделирование предельных неизотермических теплообмена и гидравлического сопротивления посредством турбулизации потока в каналах для газообразных теплоносителей и для несжимаемой капельной жидкости.

Проведено математическое моделирование теплообмена и гидравлического сопротивления в каналах с поперечными кольцевыми канавками (в круглой трубе, кольцевом канале с канавками на внутренней трубе, а также в продольно омываемых пучках труб с канавками) и было получено аналитическое решение задачи о теплообмене и гидравлическом сопротивлении для труб с поперечными кольцевыми канавками с помощью решения задач как для вихревого течения в канавке, так и для пограничного слоя на стенке трубы с помощью интегральных соотношений для турбулентных пограничных слоев, которое выгодно отличается от существующих решений отсутствием допущений и расширенным диапазоном определяющих параметров.

Осуществлено моделирование теплообмена и трения в кольцевых каналах при односторонних комбинированных турбулизаторах типа «выступ—канавка» При этом получены отдельные решения задач о теплообмене для канавки и для стенки между выступами, а основным допущением являлась одинаковость выступов у комбинированных турбулизаторах типа «выступ—канавка» .

Степень обоснованности научных положений, выводов и рекомендаций заключается в следующем.

Теоретические исследования, проведенные в данной диссертационной работе, а также разработанные программы для персональных компьютеров (ПК), с достаточной степенью точности отражают реальную картину физических процессов, имеющих место в каналах ТА, интенсифицированных посредством поверхностных периодических расположенных турбулизаторов потока, что было подтверждено экспериментально Обоснованность и достоверность разработанных автором методов, теоретических положений и сделанных выводов подтверждается совпадением результатов численного моделирования с экспериментальными данными различных авторов.

Проведено достоверное теоретическое исследование по локальному и осред-ненному теплообмену для широкого диапазона параметров потока и геометрических параметров турбулизаторов Достоверность полученных результатов подтверждается высокой точностью методов расчета и эксперимента и совпадением результатов расчета интегральными методами с результатами полученных аналитических решений для локального и осредненного интенсифицированного теплообмена.

Научная новизна, полученная в данной диссертационной работе, заключается в следующем.

Впервые осуществлено теоретическое исследование изотермического теплообмена и сопротивления для условий интенсификации теплообмена посредством периодических поверхностно расположенных турбулизаторов с помощью трех независимых методик четырехслойной схемы турбулентного пограничного слоя, интегральных соотношений для турбулентного пограничного слоя, численный метод на основе многоблочных вычислительных технологий, основанных на решении факто-ризованным конечно-объемным методом уравнений Рейнольдса, замыкаемых с помощью модели переноса сдвиговых напряжений Ментера, и уравнения энергии на разномасштабных пересекающихся структурированных сетках (ФКОМ) Ранее зональная низкорейнольдсовая модель Ментера практически на применялась для расчета течений в трубах с турбулизаторами, локальные характеристики течения и теплообмена в трубах с турбулизаторами ранее практически не детерминировались теоретическим образом Расчетные соотношения, получаемые с помощью вышеуказанных методов находятся в хорошей корреляции с существующим экспериментальными данными, кроме того, они могут использоваться и в расширенном диапазоне определяющих параметров Все три вышеупомянутых расчетных метода могут использоваться для расчета осредненных параметров теплообмена и сопротивления, а ФКОМ, кроме того, и для расчета локальных характеристик течения Все полученные результаты являются новыми Предложены соответствующие соотношения для инженерных расчетов теплообмена и гидравлического сопротивления для гладких и шероховатых труб с турбулизаторами вышеуказанным методикам.

Впервые осуществлено теоретическое исследование неизотермического теплообмена и сопротивления для условий интенсификации теплообмена посредством периодических поверхностно расположенных турбулизаторов Полученные теоретические расчетные данные относительно неизотермического теплообмена и сопротивления для данных условий для различных видов теплоносителей, практически соответствующие экспериментальным данным, выгодно отличающиеся от всех полученных ранее в плане более высокого уровня расчетной модели, позволяющей получить более точные расчетные данные для более широкого диапазона формопа-раметров и режимов течения Предложены соответствующие соотношения для инженерных расчетов теплообмена и гидравлического сопротивления при турбулентном течении в трубах в условиях интенсификации теплообмена для различных видов теплоносителей (газ, капельная жидкость) с переменными теплофизическими свойствами, изменяющимися монотонным образом Неизотермический теплообмен и сопротивление в трубах с турбулизаторами детерминировался теоретически на основе четырехслойной модели турбулентного пограничного слоя практически впервые, ранее только гидравлическое сопротивление определялось лишь опытным путем.

Для математического моделирования неизотермического теплообмена и сопротивления при турбулентном течении в трубах реактивного топлива при сверхкритических давления в условиях интенсификации теплообмена впервые разработана теоретическая модель для расчета неизотермического теплообмена и сопротивления при турбулентном течении РТ СКД в трубах в условиях интенсификации теплообмена для различных видов теплоносителей на основе четырехслойной модели турбулентного пограничного слоя Получены теоретические расчетные данные относительно неизотермического теплообмена и сопротивления для условий течения РТ СКД в условиях интенсификации теплообмена, выгодно отличающиеся от всех полученных ранее в плане более высокого уровня расчетной модели, позволяющей получить более точные расчетные данные для более широкого диапазона параметров и режимов течения Предложены зависимости для инженерных расчетов теплообмена и гидравлического сопротивления для условий течения РТ СКД Теоретическая модель на основе четырехслойной модели турбулентного пограничного слоя позволила осуществлять расчет неизотермических теплообмена и гидравлического сопротивления при турбулентном течении в трубах реактивного топлива сверхкритических давлений в условиях интенсификации теплообмена для широкого диапазона геометрических параметров турбулизаторов в диапазоне определяющих температур сверхкритического давления, в котором определены определяющие топливные теплофизические характеристики Для труб с турбулизаторами моделирование теплообмена и гидравлического сопротивления для условий СКД на основе четырехслойной схемы турбулентного пограничного слоя было проведено впервые, ранее теплообмен и сопротивление определялись только экспериментально.

Разработана методика расчета теплообмена и гидравлического сопротивления для кольцевых и плоских каналов с турбулизаторами, удовлетворительным образом коррелирующая с имеющимися опытными данными Преимущественное отличие данного подхода к расчету теплообмена и гидравлического сопротивления для кольцевых и плоских каналов с турбулизаторами от существующего заключается в том, что сопротивление и теплообмен рассчитываются с единых позиций Предложены соотношения для инженерных расчетов радиуса максимальной скорости для кольцевых каналов с турбулизаторами, для теплообмена гидравлического сопротивления в кольцевых и плоских каналах с турбулизаторами для диапазона определяющих параметров (геометрических параметров турбулизаторов и режимов течения), более широкого, чем в существующем экспериментальном материале Моделирование теплообмена и гидравлического сопротивления было проведено впервые на основе семислойной схемы турбулентного пограничного слоя, что является предпочтительным решением, поскольку ранее моделирование проводилось только из решения задачи для внешнего пограничного слоя Решение задачи о теплообмене в продольно обтекаемых пучках труб с поперечным оребрением проведено на основе четырехслойной модели ТПС с подвижной внешней адиабатной границей, что имеет несомненные преимущества перед существующими решениями, полученными на основе распространения закономерностей для внешнего пограничного слоя.

Проведено математическое моделирование предельного (изотермического и неизотермического) теплообмена посредством турбулизации потока в каналах на основе двух-, трехи четырехслойной схем турбулентного пограничного слоя для широкого диапазона геометрических и режимных параметров Задача о предельном изотермическом теплообмене решена как для круглой трубы, так и для кольцевого канала Предложены аналитические соотношения для расчета предельных изотермических теплообмена и гидравлического сопротивления Рассчитано влияние не-изотермичности на предельные теплообмен и гидравлическое сопротивление для теплоносителей в виде капельных жидкостей и газообразных теплоносителей Приведены аналитические зависимости для инженерных расчетов предельных неизотермических теплообмена и гидравлического сопротивления Предельный теплообмен в кольцевых и плоских каналах с турбулизаторами моделировался на основе шестислойной модели турбулентного пограничного слоя с применением гипотезы о расположении точек максимальной скорости.

Осуществлено математическое моделирование теплообмена и гидравлического сопротивления для условий интенсификации теплообмена посредством использования поперечных кольцевых канавок в круглых трубах, кольцевых каналах, а также в продольно обтекаемых пучках труб на основе интегральных соотношений для турбулентного пограничного слоя Проведено математическое моделирование изотермических теплообмена и гидравлического сопротивления вышеупомянутым способом при использовании комбинированных турбулизаторов типа «выступ—канавка» в продольно обтекаемых пучках труб Теоретические данные, в достаточной мере соответствующие имеющемуся опытному материалу, позволяют по отношению к последнему расширить диапазон определяющих геометрических параметров канала и режимов течения.

Сложный характер условий течения и теплообмена в трубах с периодически расположенными поверхностными турбулизаторами на данном этапе не позволяет подвергнуть его описание едиными методом Следовательно, для расчета осред-ненного изотермического теплообмена в инженерных задачах следует применить решения, полученные по четырехслойной схеме турбулентного пограничного слоя (которые могут быть также получены по интегральными соотношениям С С Кутателадзе—А И Леонтьева и на основе ФКОМ), тот же подход следует применять и для расчета неизотермического теплообмена, для расчета локального теплообмена следует использовать решения, полученные на основе интегральных соотношений для турбулентного пограничного слоя С С Кутателадзе—А И Леонтьева (которые могут быть также на основе ФКОМ), для расчета теплообмена для турбулизаторов различного поперечного сечения следует воспользоваться результатами, полученными на основе решения факторизованным конечно-объемным методом уравнений Рейнольдса, замыкаемых с помощью модели переноса сдвиговых напряжений Ментера, и уравнения энергии на разномасштабных пересекающихся структурированных сетках (ФКОМ). Приведены результирующие соотношения для инженерных расчетов теплообмена.

Полученные теоретические зависимости по теплообмену и гидравлическому сопротивлению позволили рассчитать влияние формы поперечного сечения турбулизаторов на теплообмен и гидравлическое сопротивление в гораздо более широком диапазоне определяющих параметров по относительной высоте турбулизаторов, относительному шагу турбулизаторов, отношению высоты турбулизатора к радиусу его скругления, позволяет рассчитывать теплообмен и гидравлическое сопротивление не только для турбулизаторов полукруглого и сегментного поперечных сечений, но и для турбулизаторов квадратного и треугольного поперечных сечений.

Выполненные теоретические исследования интенсифицированного теплообмена позволили обобщить имеющиеся экспериментальные данные и повысить надежность расчетов ТА в широком диапазоне изменения геометрических и режимных параметров.

Практическое значение работы заключается в следующем Теоретические зависимости и методики позволяют рассчитывать влияние формы поперечного сечения турбулизаторов на теплообмен и гидравлическое сопротивление в гораздо более широком диапазоне определяющих параметров по относительной высоте турбулизаторов, относительному шагу турбулизаторов, отношению высоты турбулизатора к радиусу его скругления, позволяет рассчитывать теплообмен и гидравлическое сопротивление не только для турбулизаторов полукруглого и сегментного поперечных сечений, но и для турбулизаторов квадратного и треугольного поперечных сечений Даны исчерпывающие рекомендации для инженерных расчетов теплообмена и гидравлического сопротивления для исследуемых способов интенсификации теплообмена Разработаны алгоритмы и программы расчета для ПК, позволяющие уже на стадии проектирования прогнозировать локальные и осредненные тепловые нагрузки в зависимости от пределов интенсифицирва-ния теплообмена Даны практические рекомендации по расчету неизотермических теплообмена и гидравлического сопротивления при турбулентном течении в трубах с турбулизаторами реактивного топлива сверхкритических давлений.

Результаты математического моделирования интенсифицированного теплообмена в каналах посредством установки периодически расположенных поверхностных турбулизаторов в качестве технического приложения реализованы в целях интенсификации теплообмена в каналах систем ГПВРД.

Внедрение разработанных теоретических методов расчета интенсификации теплообмена позволит существенно сократить габариты и металлоемкость различного рода теплообменников и теплообменных устройств и, в частности, энергетических теплообменников — воздухоподогревателей и котлов и газотурбинных установок (ГТУ), различного рода подогревателей, в том числе пароперегревателей атомных электростанций (АЭС), маслоохладителей, в теплообменных устройствах, применяемых в авиационной технике для охлаждения элементов двигателей и конструкций летательных аппаратов, приборных отсеков и кабин самолетов, в частности, в системах охлаждения ГПВРД, и других устройств При заданных массогабаритных показателях установки применение методов интенсификации теплообмена позволит значительно форсировать процесс Внедрение методов интенсификации теплообмена в энергетическом оборудовании обеспечит значительный эффект Расчетные методики, полученные в результате математического моделирования интенсифицированного теплообмена в рамках данной диссертационной работы, могут быть использованы в нормах теплового и аэродинамического (гидравлического) расчета различных теплообменных устройств.

В первой главе рассматриваются общие аспекты проблемы интенсификации теплообмена в современной теплотехнике в плане актуальности и условий, определяющих выбор метода интенсификации теплообмена Дан общий анализ развития экспериментального подхода к исследованию методов интенсификации теплообмена, но основной упор делается на динамику развития теоретических методов расчета интенсификации теплообмена, в том числе приводится обзор современного состояния вопроса и обоснование необходимости их дальнейшего совершенствования Анализ приведенного обзорного материала позволяет поставить задачу теоретического исследования данной диссертационной работы.

Во второй главе проведено математическое моделирование изотермических теплообмена и гидравлического сопротивления при турбулентном течении в каналах с периодически расположенными поверхностными турбулизаторами на основе модифицированной четырехслойной модели турбулентного пограничного слоя, адекватную, в том числе, для случая шероховатых труб с турбулизаторами и для высоких чисел Рейнольдса (Ке>106), а также на основе интегральных соотношений для турбулентного пограничного слоя Проведено численное моделирование гидродинамики и теплообмена в каналах с турбулизаторами с помощью зональной низко-рейнольдсовой модели Ментера с выявлением влияния формы выступов, их высоты и шага, а также числа Рейнольдса на интегральные характеристики, а также влияния геометрических и режимных параметров структурные особенности течения и локальную теплоотдачу Приведен критический анализ соответствия используемых математических моделей Глава завершается выводами и практическими рекомендациями по расчету изотермического теплообмена и гидравлического сопротивления при турбулентном течении в каналах для труб с турбулизаторами.

В третьей главе рассматривается математическое моделирование неизотермического теплообмена и гидравлического сопротивления при турбулентном течении в каналах с периодически расположенными поверхностными турбулизаторами, как для газообразных теплоносителей, так и для теплоносителей в виде капельной жидкости Завершают главу основные выводы и общие практические рекомендации по расчету неизотермического теплообмена и сопротивления при турбулентном течении в трубах с турбулизаторами.

В четвертой главе реализовано математическое моделирование неизотермического теплообмена и гидравлического сопротивления при течении реактивного топлива сверхкритических давлений в условиях интенсификации теплообмена Завершают главу основные выводы и практические рекомендации расчету неизотермических теплообмена и гидравлического сопротивления при турбулентном течении в трубах с турбулизаторами реактивного топлива сверхкритических давлений.

В пятой главе проведено математическое моделирование теплообмена и гидравлического сопротивления в кольцевых и плоских каналах с периодически расположенными поверхностными турбулизаторами, а также в продольно обтекаемых пучков труб с поперечным оребрением Приведены расчетные зависимости для радиуса максимальной скорости для кольцевых каналов с турбулизаторами Завершают главу основные выводы и практические рекомендации по расчету теплообмена и гидравлического сопротивления для кольцевых и плоских каналов с турбулизаторами.

В шестой главе рассмотрено математическое моделирование предельных изотермических и неизотермических теплообмена и гидравлического сопротивления посредством турбулизации потока в каналах на основе двухслойной и трехслойной моделей турбулентного пограничного слоя Проведен расчет предельного изотермического сопротивления в шероховатых трубах малого диаметра Сделано математическое моделирование предельного изотермического теплообмена при применении ленточных закручивателей в трубах с турбулизаторами Осуществлено математическое моделирование предельного изотермического теплообмена в кольцевых и плоских каналах Проведено математическое моделирование предельных неизотермических теплообмена и гидравлического сопротивления посредством турбулизации потока в каналах для газообразных теплоносителей и для теплоносителей в виде капельной жидкости Глава заканчивается общими выводами и практическими рекомендациями по расчету изотермического и неизотермического теплообмена и гидравлического сопротивления посредством турбулизации потока в каналах.

В седьмой главе реализовано математическое моделирование теплообмена и гидравлического сопротивления в каналах с поперечными кольцевыми канавками Проведено математическое моделирование теплообмена и трения в круглой трубе с поперечными кольцевыми канавками, кольцевом канале с канавками на внутренней трубе, а также в продольно омываемых пучках труб с канавками Осуществлено моделирование теплообмена и трения в кольцевых каналах при односторонних комбинированных турбулизаторах типа «выступ—канавка» Завершается глава основными выводами и практическими рекомендациями по расчету теплообмена и гидравлического сопротивления в каналах с поперечными кольцевыми канавками.

В восьмой главе реализуется техническое приложение разработанной в данной диссертационной работе теории — математическое моделирование интенсификации теплообмена в каналах систем охлаждения гиперзвуковых ракетных двигателей (ГПВРД) как в целях снижения температуры стенок без поверхностных отложений, так и в целях уменьшения образования отложений на поверхностях каналов Приведены соответствующие результаты теоретических расчетов и зависимости для инженерно-конструкторских исследований систем охлаждения ГПВРД Диссертация заканчивается общими выводами и рекомендациями По теме диссертации опубликовано 40 печатных работ Диссертационная работа выполнена на кафедре «Авиационно-космической теплотехники» (204) Московского авиационного института (государственного технического университета), научный консультант — заслуженный деятель науки РФ, действительный член Академии инженерных наук РФ, лауреат Государственных премий СССР и РСФСР, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой 204 МАИ (ГТУ), Дрейцер Генрих Александрович.

8.4. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ОТНОСИТЕЛЬНО ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА В КАНАЛАХ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ РЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ.

Резюмируя результаты, полученные в данном разделе, можно сделать следующие основные выводы.

1 разработана методика расчета теплообмена при течении углеводородных то-плив сверхкритических параметров в обогреваемом канале с учетом образующихся отложений на стенках,.

2 показано что на характер изменения температуры стенки качественно может влиять только немонотонное задание плотности теплового потока,.

3 рассмотрены возможности управления температурой стенки при периодическом изменении плотности теплового потока.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1 Осуществлено теоретическое исследование изотермического теплообмена и сопротивления для условий интенсификации теплообмена посредством периодических поверхностно расположенных турбулизаторов с помощью трех независимых методик четырехслойной схемы турбулентного пограничного слоя, интегральных соотношений для турбулентного пограничного слоя, численный метод на основе многоблочных вычислительных технологий, основанных на решении факторизованным конечно-объемным методом уравнений Рейнольдса, замыкаемых с помощью модели переноса сдвиговых напряжений Ментера, и уравнения энергии на разномасштабных пересекающихся структурированных сетках (ФКОМ) Расчетные соотношения, получаемые с помощью вышеуказанных методов находятся в хорошей корреляции с существующим экспериментальными данными, кроме того, они могут использоваться и в расширенном диапазоне определяющих параметров Все три вышеупомянутых расчетных метода могут использоваться для расчета осредненных параметров теплообмена и сопротивления, а ФКОМ, кроме того, и для расчета локальных характеристик течения Все полученные результаты являются новыми Предложены соответствующие соотношения для инженерных расчетов теплообмена и гидравлического сопротивления для гладких и шероховатых труб с турбулизато-рами по вышеуказанным методикам.

2 Осуществлено теоретическое исследование неизотермического теплообмена и сопротивления для условий интенсификации теплообмена посредством периодических поверхностно расположенных турбулизаторов Получены теоретические расчетные данные относительно неизотермического теплообмена и сопротивления для данных условий для различных видов теплоносителей, практически соответствующие экспериментальным данным, выгодно отличающиеся от всех полученных ранее в плане более высокого уровня расчетной модели, позволяющей получить более точные расчетные данные для более широкого диапазона формопараметров и режимов течения Предложены соответствующие соотношения для инженерных расчетов теплообмена и гидравлического сопротивления при турбулентном течении в трубах в условиях интенсификации теплообмена для различных видов теплоносителей (газ, капельная жидкость) с переменными теплофизическими свойствами, изменяющимися монотонным образом.

3 Осуществлено математическое моделирование неизотермического теплообмена и сопротивления при турбулентном течении в трубах РТ СКД в условиях интенсификации теплообмена Впервые разработана теоретическая модель для расчета неизотермического теплообмена и сопротивления при турбулентном течении РТ СКД в трубах в условиях интенсификации теплообмена для различных видов теплоносителей на основе четырехслойной модели турбулентного пограничного слоя Получены теоретические расчетные данные относительно неизотермического теплообмена и сопротивления для условий течения РТ СКД в условиях интенсификации теплообмена, выгодно отличающиеся от всех полученных ранее в плане более высокого уровня расчетной модели, позволяющей получить более точные расчетные данные для более широкого диапазона параметров и режимов течения Предложены зависимости для инженерных расчетов теплообмена и гидравлического сопротивления для условий течения РТ СКД Теоретическая модель на основе четырехслойной модели турбулентного пограничного слоя позволяет осуществлять расчет неизотермических теплообмена и гидравлического сопротивления при турбулентном течении в трубах реактивного топлива сверхкритических давлений в условиях интенсификации теплообмена для широкого диапазона геометрических параметров турбулизаторов в диапазоне определяющих температур сверхкритического давления, в котором определены определяющие топливные теплофизические характеристики.

4 Разработана методика расчета теплообмена и гидравлического сопротивления для кольцевых и плоских каналов с турбулизаторами, удовлетворительным образом коррелирующая с имеющимися опытными данными Преимущественное отличие данного подхода к расчету теплообмена и гидравлического сопротивления для кольцевых и плоских каналов с турбулизаторами от существующего заключается в том, что сопротивление и теплообмен рассчитываются с единых позиций Предложены соотношения для инженерных расчетов радиуса максимальной скорости для кольцевых каналов с турбулизаторами, для теплообмена гидравлического сопротивления в кольцевых и плоских каналах с турбулизаторами для диапазона определяющих параметров (геометрических параметров турбулизаторов и режимов течения), более широкого, чем в существующем экспериментальном материале.

5 Проведено математическое моделирование предельного (изотермического и неизотермического) теплообмена посредством турбулизации потока в каналах на основе двух-, трехи четырехслойной схем турбулентного пограничного слоя для широкого диапазона геометрических и режимных параметров Задача о предельном изотермическом теплообмене решена как для круглой трубы, так и для кольцевого канала Предложены аналитические соотношения для расчета предельных изотермических теплообмена и гидравлического сопротивления Рассчитано влияние не-изотермичности на предельные теплообмен и гидравлическое сопротивление для теплоносителей в виде капельных жидкостей и газообразных теплоносителей Приведены аналитические зависимости для инженерных расчетов предельных неизотермических теплообмена и гидравлического сопротивления.

6 Осуществлено математическое моделирование теплообмена и гидравлического сопротивления для условий интенсификации теплообмена посредством использования поперечных кольцевых канавок в круглых трубах, кольцевых каналах, а также в продольно обтекаемых пучках труб на основе интегральных соотношений для турбулентного пограничного слоя Проведено математическое моделирование изотермических теплообмена и гидравлического сопротивления вышеупомянутым способом при использовании комбинированных турбулизаторов типа «выступ—канавка» в продольно обтекаемых пучках труб Теоретические данные, в достаточной мере соответствующие имеющемуся опытному материалу, позволяют по отношению к последнему расширить диапазон определяющих геометрических параметров канала и режимов течения Даны исчерпывающие рекомендации для инженерных расчетов теплообмена и гидравлического сопротивления для вышеуказанного способа интенсификации теплообмена.

7 Сложный характер условий течения и теплообмена в трубах с периодически расположенными поверхностными турбулизаторами на данном этапе не позволяет подвергнуть его описание едиными методом Следовательно, для расчета осредненного изотермического теплообмена в инженерных задачах следует применить решения, полученные по четырехслойной схеме турбулентного пограничного слоя (которые могут быть также получены по интегральными соотношениям С С Кутателадзе— А И Леонтьева и на основе ФКОМ), тот же подход следует применять и для расчета неизотермического теплообмена, для расчета локального теплообмена следует использовать решения, полученные на основе интегральных соотношений для турбулентного пограничного слоя С С Кутателадзе—А И Леонтьева (которые могут быть также получены на основе ФКОМ), для расчета теплообмена для турбулизаторов различного поперечного сечения следует воспользоваться результатами, полученными на основе ФКОМ Приведены результирующие соотношения для инженерных расчетов теплообмена.

8 Теоретические данные позволяют рассчитывать влияние формы поперечного сечения турбулизаторов на теплообмен и гидравлическое сопротивление в гораздо более широком диапазоне определяющих параметров по относительной высоте турбулизаторов, относительному шагу турбулизаторов, отношению высоты турбули-затора к радиусу его скругления, позволяет рассчитывать теплообмен и гидравлическое сопротивление не только для турбулизаторов полукруглого и сегментного поперечных сечений, но и для турбулизаторов квадратного и треугольного поперечных сечений Вышесказанное обусловливает бесспорное преимущество теоретических данных, приведенных в данной диссертационной работе, перед существующими эмпирическими данными.

9 Результаты математического моделирования интенсифицированного теплообмена в каналах посредством установки периодически расположенных поверхностных турбулизаторов в качестве технического приложения реализованы в целях интенсификации теплообмена в каналах систем ГПВРД.

10 Внедрение теоретическим образом исследованных и разработанных в диссертации методов интенсификации теплообмена позволит существенно сократить габариты и металлоемкость различного рода теплообменников и теплообменных устройств и, в частности, энергетических теплообменников — воздухоподогревателей и котлов и газотурбинных установок (ГТУ), различного рода подогревателей, в том числе пароперегревателей атомных электростанций (АЭС), маслоохладителей, в теплооб-менных устройствах, применяемых в авиационной технике для охлаждения элементов двигателей и конструкций летательных аппаратов, приборных отсеков и кабин самолетов, в частности, в системах охлаждения ГПВРД, и других устройств При заданных массогабаритных показателях установки применение методов интенсификации теплообмена позволит значительно форсировать процесс Внедрение методов интенсификации теплообмена в энергетическом оборудовании обеспечит значительный эффект Расчетные методики, полученные в результате математического моделирования интенсифицированного теплообмена в рамках данной диссертационной работы, могут быть использованы в нормах теплового и аэродинамического (гидравлического) расчета различных теплообменных устройств.