Экспериментательное исследование влияния сил плавучести на турбулентный перенос импульса и тепла при течении воздуха в вертикальных трубах

В целом ряде природных объектов и технических устройств стречаются течения Еидкостей вдоль вертикальных поверхностей или в вертикальных каналах), на которые оказывает влияние поле илы тяжести. Интерес к изучению этой проблемы активизируется в ооледнее время в связи с ростом энергонапряЕенности и размеров ппаратов современной техники. Примерами могут служить течения оздуха около склонов горных массивов и около стен зданий, течения азов в дымовых трубах и в вертикальных участках теплотрасс, тече-ия нидкостей в различных элементах технических устройств — в идер—ых реакторах, теплообменниках, гелиоустановках и т. д. Приведение примеры показывают практическую значимость и актуальность изу—ения влияния сил плавучести на гидродинамику и теплообмен в верти—альноориентированных каналах.

Следует отметить, что исследования горизонталыюориентирован-щх течений в поле силы тянести имеют довольно большую историю, пределяемую широким распространением их в природных условиях -¦ечения в атмосфере и в океане относятся именно к такому виду дви-:ения жидкости. Температурно-стратиуицировашше горизонтальные те-[ения довольно широко исследуются экспериментально, в основном, на •еофизических объектах, а трудами, в первую очередь, А. С. Пошша и ,.1'.Обухова развита для них теория турбулентности.

Случай вертикальных течений носит специфический характер, свя-1анный с изменением направления вектора ускорения силы тякести от-юсительно направления движения еидкости. В последние годы появи-[ись работы, посвященные исследованиям смешанноконвективного тече-[ия в вертикальных каналах. Однако подавляющее большинство их пос-1ящено исследованию только закономерностей теплоотдачи. Полученные | этих работах неоднозначные результаты подчёркивают слокность за-[ачи и указывают на необходимость систематических исследований груктуры течения в этих условиях. Имеющиеся в экспериментальных аботах измерения отдельных характеристик течения очень ограничены противоречивы.

Целью данной работы является изучение воздействия сил плавучести, а турбулентный перенос импульса и тепла при течении воздуха в вер-акалышх каналах.

На защиту выносятся следующие научные результаты: метод измерения корреляций скорость — температураметод анализа структуры турбулентности на основе теории распознавания образовопытные данные о распределениях осреднённых скорости и температуры, одноточечных вторых моментов пульсаций скорости и температурызакономерности изменения турбулентных переносов импульса и тепла и турбулентного числа Прандтляустановленное существование слоя плавучестиполученные зависимости для профилей осреднённых значений скорости и температуры, их. вторых одноточечных моментов в этом слоерекомендуемые аппроксимации вторых моментов.

ВЫВОДЫ.

1. Разработан метод экспериментального исследования влияния сил лавучести на турбулентные течения в вертикальных обогреваемых аналахсоздана экспериментальная установкаоптимизирована конструкция зоцца термоанемометра для измерений вблизи стенкиэкспериментально исследованы погрешности ЛДА с процессорами счетного типа, связанные с влиянием ступенчатой аппроксимации истинного непрерывного сигнала скоростипредложен и реализован метод измерения корреляций скорость — температура, основанный на совместном использовании ЛДА и термометра сопротивления, позволяющий минимизировать эффективный измерительный объем (по сравнению с известными методами) и избежать взаимного влияния зондов- - предложен и реализован метод анализа структуры турбулентности, основанный на теории распознования образов.

2.Исследованы характеристики турбулентного слабонеизотермичес-кого течения воздуха в трубах при числах 2500 Ке ^ 40. ТО3.

За основании сравнения результатов измерений с имеющимися в литературе данными продемонстрирована достоверность получаемых результатов. Данные по пульсации нормальной компоненты скорости, корреляциям скорость-скорость, скорость-температура при малых Re являются новыми и представляют самостоятельный интерес.

3. Впервые получены экспериментальные данные о влиянии сил плавучести в вертикальных каналах на пульсации скорости и температуры, корреляции й7^, ^гг7Г' и У’Г' .коэффициенты турбулентного переноса .

— JL'O.

Установлено, что:

— анизотропия турбулентного переноса тепла в радиальном и осевом направлениях увеличивается под влиянием сил плавучести в режимах с М-образными профилями скорости меняет знак в ядре теченияэто опровергает применяемые в расчетных моделях аппроксимации;

— турбулентное число Правдтля вблизи стенки растет и достигает 10−12;

— характер воздействия архимедовых сил на турбулентность по сечению потока различен — вблизи т стенки происходит подавление, а в ядре течения — дополнительная генерация турбулентности.

4. Методом, основанном на теории распознования, выполнена расшифровка осциллограмм пульсаций температуры при ламинаризации течения. Показано, что течение в этом случае становится перемежающимся.

5. С помощью теории подобия и размерностей проведен анализ влияния сил плавучести на турбулентное течение около обогреваемых охлаждаемых) вертикальных поверхностей. Предложены обобщающие зависимости для профилей скорости, температуры и одноточечных моментов. Установлено, что в случае подъемного течения жидкости около вертикальной обогреваемой поверхности наблюдаются законы «1/3» для профилей’осредненной скорости, интенсивности продольной скорости и напряжений Рейнольдсав то время, как законы «-I/3» — профиле! осредненной температуры, интенсивности пульсаций температуры и турбулентного переноса тепла. Полученные экспериментальным путем данные подтверждают найденные закономерности.

6. На основе полученных опытных данных предложены аппроксимации отдельных членов балансных уравнений для одноточечных вторых моментов пульсаций скорости и температуры при вертикально-ориентированном пристенном турбулентном течении в поле силы тяжести и с их использованием выведены приближенные соотношения для замыкания уравнений движения и энергии.