ИСТИНА

Целью проекта является исследование процессов тепломассообмена в пограничных слоях на непроницаемой и проницаемой поверхностях, разделяющих дозвуковой и сверхзвуковой потоки газа. На основе разработанной авторами дифференциальной модели турбулентности будут построены алгоритмы и созданы программы, позволяющие получить численное решение задач температурной стратификации. Будет проведено сравнение полученных результатов с известными экспериментальными данными, обоснован выбор параметров и режимов работы установки для проведения новых экспериментальных исследований, а также сделаны рекомендации по выбору наиболее оптимальных способов организации температурной стратификации в ранее не исследованной области параметров, где известные двухпараметрические (для энергии турбулентности и ее диссипации) модели не позволяют описать экспериментальные данные. С целью определения эффективности стратификации численное исследование будет проведено для газовых смесей в широком диапазоне значений числа Прандтля для ряда значений числа Маха.

Разработаны математические модели и созданы программы расчета, базирующиеся на трехпараметрической дифференциальной модели турбулентности, дополненной уравнением переноса для турбулентного потока тепла. Проведены тестовые расчеты и выполнено сравнение результатов с имеющимися немногочисленными экспериментальным данным. Расчеты течения и теплообмена при постоянной температуре стенки цилиндрической трубы с непроницаемой стенкой проведены в диапазоне чисел Прандтля 0.1–1 и Рейнольдса 104–106. Получена обширная информация по изменению характеристик течения и теплообмена по длине трубы. На достаточном удалении от входа в трубу для стабилизированного течения и теплообмена получена зависимость от чисел Прандтля и Рейнольдса для числа Нуссельта и коэффициента аналогии Рейнольдса, являющегося показателем эффективности теплообменных аппаратов. Для трубы с проницаемой стенкой расчеты проведены в широком диапазоне чисел Рейнольдса и интенсивности отсоса. Получена обширная информация по изменению интегральных и локальных характеристик течения по длине трубы в зависимости от интенсивности отсоса и протяженности участка отсоса. Проведено сравнение результатов расчета градиента давления, профилей скорости и энергии турбулентности с наиболее достоверными экспериментальными данными, отражающее основные особенности достаточно сложных процессов перестройки течения при отсосе в трубе. С использованием уравнения переноса для величины турбулентного потока тепла получено распределение турбулентного числа Прандтля по сечению трубы. Для пластины численное исследование зависимостей коэффициентов восстановления температуры и аналогии Рейнольдса проведено в диапазоне чисел Прандтля 0.1–10, чисел Маха 1–3 и чисел Рейнольдса до 108. В указанном диапазоне чисел Маха коэффициент восстановления температуры очень слабо зависит от чисел Рейнольдса и Маха. Коэффициент аналогии Рейнольдса при больших числах Рейнольдса также слабо зависит от числа Рейнольдса, а зависимость от числа Маха появляется при значениях числа Прандтля больше трех. Полученная расчетная зависимость коэффициента восстановления для малых и больших чисел Прандтля отличается от общепринятой зависимости (корень кубический из числа Прандтля). Для коэффициента восстановления температуры получена зависимость от интенсивности вдува, аппроксимирующая результаты расчетов, которая согласуется с известными экспериментальными данными. Повышение эффективности теплообменных аппаратов за счет интенсификации процессов теплообмена является актуальной задачей энергосбережения. Рассмотрено два новых способа: организация отсоса через проницаемую стенку канала постоянного сечения и использование диффузора в качестве канала теплообменника. Проведенное сравнение результатов расчета характеристик течения в диффузоре и трубе с отсосом газа показало, что в диффузоре, как и в трубе с отсосом, имеет место турбулизация потока, которой способствует положительный градиент давления. При этом в диффузоре при всех рассмотренных изменениях числа Рейнольдса характеристики турбулентности - энергия турбулентности и напряжения Рейнольдса - оказываются значительно выше, чем в трубе с отсосом. Показана возможность интенсификации теплообмена в безотрывном диффузоре с гидравлически гладкой поверхностью, обеспечивающей минимальные гидравлические потери. Установлено, что интенсивность теплообмена в диффузоре примерно в полтора – два раза выше, чем в круглой трубе. Проведенные расчеты продемонстрировали возможность повышения эффективности теплообменных аппаратов за счет увеличения коэффициента аналогии Рейнольдса в конических расширяющихся каналах, в особенности при малых числах Рейнольдса (меньше 2000), где реализуется подтвержденный экспериментом турбулентный режим течения.