На правах рукописи

ВОЛОВ

ВЯЧЕСЛАВ ТЕОДОРОВИЧ

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ЭНЕРГООБМЕНА В

СИЛЬНОЗАКРУЧЕННЫХ СЖИМАЕМЫХ ПОТОКАХ ГАЗА И ПЛАЗМЫ

01.02.05 – Механика жидкости, газа и плазмы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

КАЗАНЬ – 2011 Самарский государственный университет путей сообщений

Официальные оппоненты: член-корр. РАН, доктор физико-математических наук, профессор Алексеенко Сергей Владимирович;

доктор физико-математических наук, профессор Мазо Александр Бенцианович;

доктор физико-математических наук, профессор Молочников Валерий Михайлович

Ведущая организация: Казанский национальный исследовательский технический университет им. А. Н. Туполева

Защита состоится «20» октября 2011 г. в 14.30 на заседании диссертационного совета Д 212.081.11 при ФГАОУВПО «Казанский (Приволжский) федеральный университет» по адресу: 420008, г.Казань, ул.Кремлевская,18, ауд. мех. 2.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке им. Н.И.

Лобачевского Казанского федерального университета по адресу: 420008, г. Казань, ул. Кремлевская, 18.

Автореферат разослан до _ 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к. ф-м.н., доц. Саченков А.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Современный уровень развития энергетики и технологий предъявляет высокие требования к качеству протекающих в них процессов энерго- и тепломассообмена.

Удовлетворению многих из перечисленных требований могут служить газовые и теплообменные системы, имеющие в своей основе закрученный поток газа и плазмы.

В настоящее время имеется обширный теоретический и экспериментальный материал по слабозакрученным течениям в различных каналах и энергетических установках (А.П.Меркулов, 1969; А.М.Гольдштик, 1981; А.Гупта, Д.Лилли, Н.Сайред, 1987). Использование закрутки потока позволяет существенно интенсифицировать теплообмен и улучшить процессы горения в камерах сгорания (В.К.Щукин, 1970).

Обобщение экспериментальных и теоретических исследований по данному вопросу представлено в работах В.К.Щукина, А.А.Халатова, Э.П.Волчкова, С.В.Алексеенко, Ю.В.Полежаев, В.Ф.Гортышева, С.Э.Тарасевича, Ю.А.КузьмаКичты, Ш.А.Пиралишвили, А.Н.Штыма. Основополагающими теоретическими работами по несжимаемым потокам с произвольной закруткой являются исследования А.М.Гольдштика (1981) и учеников его школы.

В работе Г.И.Кикнадзе, Ю.К.Краснова (1985) выделен класс потенциальных решений нестационарных уравнений Навье-Стокса для несжимаемой жидкости.

Анализу турбулентных несжимаемых стационарных течений с постоянной величиной коэффициента турбулентной вязкости посвящено исследование И.О.Хинце (1963), Г.Шлихтинг (1974), А.С.Гиневский (1978), А.Б.Мазо (2007).

Экспериментальному исследованию сильнозакрученных несжимаемых течений посвящены работы А.М.Гольдштика, Ю.А.Гостинцева, В.К.Щукина, В.К.Мигая, А.Гупта.

Сильнозакрученные сверхзвуковые течения в настоящее время являются наименее изученной областью как в теоретическом, так и в экспериментальном плане и на практике реализуются в таких вихревых устройствах, как вихревые делительные трубы, самовакуумирующиеся вихревые трубы, вихревые эжекторные насосы, вихревые трубы с дополнительным потоком, и в различных их комбинациях и модификациях. Основополагающими исследованиями в данной области являются работы А.П.Меркулова, В.И.Епифановой, В.С.Мартыновского, Г.Л.Гродзовского, А.Д.Суслова, В.С.Мартыновского, А.И.Гуляева, Ж.Ранка, Р.Хилша, М.Г.Дубинского и учеников их научных школ. Определению интегральных характеристик вихревых устройств (холодопроизводительности, КПД, коэффициенту эжекции, эффекту охлаждения) посвящены работы А.И.Борисенко и В.А.Сафонова (1968, 1973, 1976).

Здесь наиболее интересными являются исследования вихревого эффекта на водяном паре.

Сложности теоретического плана по решению данной проблемы базируются на отсутствии общей теории турбулентности и существенных технических сложностях решения полной системы уравнений Навье-Стокса для сверхзвуковых нестационарных течений газа.

Необходимость в общей теории турбулентности для теоретического анализа сильнозакрученных сжимаемых течений исходит из того факта, что в таких течениях турбулентность неоднородна и неизотропна, т.е. приближение изотропной турбулентности неправомерно и не может привести даже к качественному согласованию с опытом.

Сложности экспериментального исследования сильнозакрученных сжимаемых течений в каналах термоанимометрическими и лазерными методами обсуждаются в работах В.И.Багрянцева, Э.П.Волчкова и В.И.Терехова (1981), Ю.Н.Дубнищева и В.А.Мухина (1975), А.Гупта, Д.Лили и Н.Сайреда (1987).

Ввиду вышеперечисленных трудностей теоретического и экспериментального порядка, понятно стремление исследователей изучать течения в вихревых устройствах приближенными теоретическими методами. Оправданием того факта, что во многих из перечисленных работ по исследованию вихревых устройств авторы используют уравнения невязкого сжимаемого газа, является то, что в вихревых устройствах указанных выше типов центробежные ускорения, возникающие в вихре, достигают гигантских величин 106 107 g, и, таким образом, ни вязкость, ни теплопроводность не могут привести к качественному изменению поля скоростей в вихревой камере: имеется периферийная область течения, близкая энергоразделения в вихревых, осуществляется за счет показателя политропы процесса (А.П.Меркулов, 1969; И.О.Хинце, 1963).

закрученном сжимаемом турбулентном потоке, как показано в работах И.О.Хинце (1963) и А.П. Меркулова (1976), равно показателю адиабаты, что соответствует завершению процесса обмена между вынужденным вихрем и потенциальным диффузорных камер (ВДК), к которым относится самовакуумирующаяся вихревая термодинамических параметров в сопловом сечении близко к адиабатическому (коэффициент политропного КПД близок к единице ( пол 0,97 ) (Н.Д.Колышев, 1976). Следует подчеркнуть, что, как показано в выше приведенном исследовании А.П.Меркулова (1969), характеристики сверхзвуковых закрученных потоков газа в таких ВДК (СВТ, ВЭ) до последнего времени без привлечения эмпирической информации не рассчитывались ввиду сложного отрывного характера течения в щелевом диффузоре. При этом эффективность ВДК в значительной степени определяется степенью утилизации кинетической энергии потока в потенциальную энергию давления в ее щелевом диффузоре. Исключением был вихревой вакуумнасос М.Г.Дубинского, где характеристики течения рассчитывались без привлечения эмпирических данных, но ввиду отсутствия метода расчета щелевого радиального диффузора расхождение теоретических и экспериментальных данных превышало 200%.

Несмотря на перечисленные трудности в изучении указанной проблемы, практика настоятельно требует создания методов и моделей оперативного прогнозирования и оптимизации характеристик сильнозакрученных сжимаемых потоков газа и плазмы.

В связи с вышеизложенным в диссертации были сформулированы объект, предмет, цель и задачи исследования.

Целью исследования является реализация комплексной проблемы разработки математических моделей энергообмена в сильнозакрученных сжимаемых потоках газа и плазмы в следующих вихревых энергетических системах и устройствах:

1) в самовакуумирующихся вихревых трубах (СВТ);

2) в вихревых эжекторах (ВЭ);

3) в вихревых электроразрядных системах (плазмотронах и лазерах).

Объектом исследования являются сжимаемые потоки газа и плазмы.

Предметом исследования является разработка математических моделей тепломассо- и энергообмена в сильнозакрученных сжимаемых потоках газа и плазмы.

Для достижения поставленной цели в исследовании необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ исследований эффекта энергетического разделения газов– эффекта Ранка-Хилша.

2. Разработать интегральную модель расчета характеристик закрученного сжимаемого потока в щелевых диффузорных каналах.

3. Разработать математическую модель процессов тепломассобмена в вихревой диффузорной камере (СВТ, ВЭ).

4.Провести экспериментальное исследование процессов энергоразделения в сверхзвуковом закрученном потоке газа самовакуумирующейся вихревой трубы с щелевым радиальным диффузором.

5. Разработать математическую модель процессов энергообмена в вихревом тлеющем разряде.

6. Разработать математическую модель вихревого СО2 -лазера.

7. Осуществить энергетический анализ эффективности процессов энерго- и массообмена в электроразрядных газовых системах.

Разработать и реализовать математическую модель вихревого баллистического плазмотрона многостадийного сжатия.

9. Провести экспериментальную проверку эффективности процессов энерго- и массообмена в вихревом плазмотроне многостадийного сжатия.

На защиту выносятся следующие результаты:

Анализ исследований и гипотез энергоразделения по сжимаемым закрученным потокам газа в вихревой трубе Ранка-Хилша.

Полуэмпирическая модель расчета характеристик сверхзвукового закрученного потока газа в щелевом диффузоре с учетом потерь на трение и отрыв потока.

Математическая модель процессов тепломассообмена в вихревой диффузорной камере (ВДК) (модели СВТ и ВЭ).

Закономерность связи коэффициента восстановления статического давления в щелевом диффузоре с эффектом энергоразделения в ВДК.

электроразрядном СО2 -лазере и СО2 -плазмотроне, включающая модель расчета ВДК, модель вихревого тлеющего разряда, модель колебательной кинетики СО2 лазера с учетом характеристик вихревого течения в вихревой камере.

Обобщение закона подобия для вихревого тлеющего разряда.

Результаты экспериментального исследования характеристик вихревого электроразрядного СО2 -лазера и плазмотрона.

баллистическом плазмотроне многостадийного сжатия.

баллистического плазмотрона многостадийного сжатия.

Предельная энергетическая теорема для поточных газовых машин.

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:

Проведенный анализ исследований по сверхзвуковым закрученным потокам газа в вихревых трубах Ранка-Хилша показал, что наименее изученным в теоретическом и экспериментальном плане является класс наиболее энергетически самовакуумирующиеся вихревые трубы, вихревые эжекторы и вакуум-насосы.

Впервые разработана модель расчета сверхзвукового закрученного потока газа в щелевом радиальном диффузоре с учетом вязкости, потерь на отрыв и кольцевых скачков уплотнения, позволившая с достаточной точностью (погрешность 5%) прогнозировать основные энергетические характеристики течения в диффузоре в широком диапазоне геометрических (=724) и режимных