Гильфанов Камиль Хабибович – д-р техн. наук, профессор кафедры «Автоматизация технологических процессов и производств»
г. Казань
Kamil H. Gilfanov
Kazan
Гайнуллин Рустем Нусратуллович – д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Автоматизированные системы сбора и обработки информации»
г. Казань
Rustem N. Gainullin
Kazan
Ахмадеев Урал Мансурович – аспирант
г. Казань
Ural M. Akhmadeev
Kazan
Гилязов Дамир Рауфович – главный инженер проекта
г. Казань
Damir R. Gilyazov
Kazan
ЦЕЛЬ. Исследование развития нестационарного теплового пограничного слоя турбулентного потока газа в начальном участке цилиндрического канала.
МЕТОДЫ. Исследование выполнено экспериментально и путем математического моделирования. Опыты выполнены на стенде с плазменным подогревом рабочего тела (воздуха). Экспериментальный стенд представляет собой аэродинамическую трубу разомкнутого типа. Температура газа достигала до 1400 К, температура стенки повышалась до 700 К. Нестационарные условия реализуются при включении и выключении плазмотрона. При выключении электродугового нагревателя осуществлялся сброс тепловой нагрузки, приводящий к уменьшения температуры газа со скоростью по абсолютной величине до 5000 К/с и температуры стенки около 100 К/с. Профили температур потока измерены с помощью хромель-алюмелевых термопар. Математическая модель основывается на теории пограничного слоя с привлечением законов сопротивления и теплообмена на основе гипотезы Прандтля о длине пути смешения. Принимается двухслойная модель гидродинамического и теплового пограничных слоев. Использование параметрических методов расчета пограничного слоя Кутателадзе-Леонтьева позволяет получить соотношения для расчета профилей скорости и энтальпий.
РЕЗУЛЬТАТЫ. Определено развитие интегральных толщин потока при сбросе тепловой нагрузки. Тепловая нестационарность при сбросе нагрузки по основному потоку деформирует профили температур, они становятся менее заполненными. Такая динамика вызывается ростом тепловой инерции термогазодинамической системы, блокированием потока тепловых волн в пограничный слой из-за падения фронта тепловой энергии с внешней стороны пограничного слоя. Термогазодинамическая система деформируется, отдавая энергию. Результатом подобных неустановившихся процессов является переход пограничного слоя к новому состоянию. Результаты обобщены в рамках теории пограничного слоя.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Толщина потери энергии увеличивается относительно своего стационарного изотермического аналога с ростом параметра тепловой нестационарности. Влияние нестационарности на толщину потери энергии лежит в пределах 20 % при zh≤2, Reh**=1000 и Re**=1000.
THE PURPOSE. To study the development of a non-stationary thermal boundary layer of a turbulent gas flow in the initial section of a cylindrical channel.
METHODS. The study was carried out experimentally and by means of mathematical modeling. The experiments were carried out on a rig with plasma heating of the working fluid (air). The experimental rig is an open-loop wind tunnel. The experiments were carried out at Reynolds numbers Re01= 44000. The gas temperature reached 1400 K, the wall temperature increased to 700 K. The fixation of temperature fields in the boundary layer is carried out by means of chromel-alumel thermoelectric sensors. The mathematical model represents the integral equations of the boundary layer. The laws of turbulent exchange are obtained in accordance with the Prandtl model on the length of the mixing path. A two-layer model of hydrodynamic and thermal boundary layers is adopted. The use of parametric methods for calculating the boundary layer of Kutateladze-Leontiev allows us to obtain relationships for calculating the velocity and enthalpy profiles. The parameters at the boundary of the thermal conductivity sublayer, enthalpy profiles, and integral characteristics of the thermal boundary layer are determined numerically. Within the framework of the adopted model, the integral characteristics are a function of the thermal non-stationarity parameter caused by the time variability of flow temperatures.
RESULTS. The development of integral flow thicknesses during the release of the thermal load is determined. Thermal non-stationarity during the release of the load along the main flow deforms the temperature profiles, they become less filled. The results are generalized within the framework of the boundary layer theory.
CONCLUSIONS. The energy loss thickness increases relative to its stationary isothermal analog with an increase in the thermal non-stationarity parameter. The effect of non-stationarity on the energy loss thickness is within 20% at zh ≤ 2, Reh**=1000 and Re**=1000.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.