Экспериментальная установка для полунатурного моделирования тепломассообменных процессов в газоводе за диафрагмой

ТЕРМОГАЗОДИНАМИКА. ТЕПЛОМАССООБМЕН

УДК 621.453/457

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУНАТУРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОМАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ В ГАЗОВОДЕ ЗА ДИАФРАГМОЙ

В. А. Дунаев, А. А. Каширкин, О. А. Евланова, А. А. Евланов

Рассмотрены вопросы проектирования экспериментальной установки для исследования процессов тепломассопереноса в газоводах. Предложена схема размещения термодатчиков, обеспечивающая повышенную точность измерения температуры. Выбран оптимальный вариант экспериментальной установки.

Ключевые слова: экспериментальная установка, тепломассоперенос, газовод, термодатчики.

В проточных частях различных технических устройств имеются участки с местным сопротивлением, например, участки с резким уменьшением площади проходного сечения за счет установки диафрагмы с отверстиями. В данных устройствах теплообмен между продуктами сгорания и корпусом камеры сгорания является достаточно напряженным, причем наиболее высокий уровень тепловых потоков достигается за диафрагмой. Структура потока стабилизированного течения за диафрагмой нарушается с образованием рециркуляционных зон. В случае наличия одного осевого отверстия за диафрагмой образуется тороидальная рециркуляционная зона. Теплообмен в области рециркуляционной зоны дополнительно интенсифицируется, причем максимальный уровень тепловых потоков к корпусу проточной части (газоводу) наблюдается в сечении присоединения рециркуляционной зоны к корпусу. Это требует принятия дополнительных мер тепловой защиты корпуса в данной области.

Для выбора параметров тепловой защиты газовода и определения длины участка теплозащитного покрытия с увеличенной толщиной за диафрагмой необходимо проведение анализа процессов теплообмена и, в пер-

49

вую очередь, определение положения границы рециркуляционной зоны, что целесообразно ввиду сложности тепломассообменных процессов в этой области осуществлять методами полунатурного моделирования.

Типовой схемой установки полунатурного моделирования для анализа теплообменных процессов при течении высокотемпературного газа является схема, включающая газогенератор и исследуемый узел - в данном случае имитатор диафрагмы с одним отверстием и газовод с термодатчиками, размещенными с определенным шагом в одном продольном сечении. Такая схема последовательного размещения термодатчиков позволяет определить положение границы рециркуляционной зоны при проведении экспериментов, поскольку поперечному сечению газовода, в котором зарегистрирована максимальная температура газовода, будет соответствовать граница рециркуляционной зоны.

Исходя из условий снижения систематической погрешности измерения термодатчиков принципиальным моментом при проектировании модельной установки является выбор способа размещения термодатчиков: на внутренней или наружной поверхности газовода.

Термодатчики для замера температуры внутренней поверхности имеют рабочий спай, размещенный на плоском торце термодатчика. При измерении температуры внутренней поверхности газовода сравнительно малого диаметра (60...100 мм) не обеспечивается плавное сопряжение плоского торца термодатчика с цилиндрической поверхностью газовода, что вносит искажения в структуру потока продуктов сгорания в газоводе, приводящие к достаточно высокой погрешности замеров. При размещении термодатчиков на наружной поверхности газовода данный недостаток полностью исключен, однако необходимо для конкретных условий эксперимента провести оценку возможности достоверного определения сечения с максимальной температурой и работоспособности установки.

Для выбора проектных параметров экспериментальной установки и целесообразности использования данной схемы замеров проведена оценка теплового состояния наружной поверхности газовода при различных значениях температур внутренней поверхности газовода для разрабатываемой экспериментальной установки. Определение газодинамических параметров течения продуктов сгорания за диафрагмой проводились по системе уравнений, описывающей турбулентное течение теплопроводного газа [1].

Решение данной системы уравнений при соответствующих граничных условиях осуществлялось с использованием программного комплекса Gas 2 [1].

Результаты расчета приведены на рис. 1 и 2.

Оценка значений коэффициентов конвективной теплоотдачи от продуктов сгорания к внутренней поверхности газовода в области рециркуляционной зоны осуществлялась по методике работы [2].

Расчеты проводились для двух вариантов поперечного сечения газовода: с толщиной газовода в области местного утонения 2 мм и 3 мм.

50

Скорость м/с

Рис. 1. Распределение скорости потока

Рис. 2. Распределение линий тока

Тепловое состояние сечений газовода определялось с использованием граничных условий 3-го рода на наружной и внутренней поверхности газовода. Согласно результатам расчета ожидаемый уровень температур внутренней поверхности газовода соответствует диапазону до 870 °С при минимальной толщине стенки 2 мм (рис. 3).

Рис. 3. Распределение температуры в газоводе при минимальной толщине стенки 2 мм

На рис. 4 приведены результаты расчета температурного состояния стенки газовода для двух сечений с максимальной температурой внутренней поверхности 870 и 740 °С.

т, с

900 800 700 600 500 400 300 200 100 0

О 0,1 0,2 0:3 0,4 0,5 0,6 0,7 1, с

-точка 3 сечение 1 ---точка 4 сечение 1 -точка 3 сечение 2 ---------точка 4 сечение 2

Рис. 4. Зависимость температуры от времени процесса

При минимальной толщине стенки газовода, равной 2 мм, для данного варианта соответствующие значения температур наружной поверхности стенки газовода составляют 700 и 590 °С, то есть при разности температур внутренней поверхности газовода, равной 130 °С, разность температур наружной поверхности в данном сечении составляет 110 °С. Аналогичные расчеты, проведенные для сечений с толщинами стенок, равными 3 мм, показывают, что при разности температур внутренней поверхности газовода, равной 115 °С, разность температур наружной поверхности составляет 60 °С.

Данные результаты показывают, что предлагаемая схема замеров позволяет идентифицировать сечение газовода с максимальной температурой по показаниям термодатчиков на наружной поверхности газовода.

Проведенные расчеты напряженно-деформированного состояния газовода (рис. 5) показали, что для условий эксперимента (давление в газоводе до 80 кгс/см ) при толщине газовода в месте расположения местного утонения (местах установки термодатчиков) 3 мм прочность газовода при данном уровне температур обеспечивается.

ft S, Mises-

(Avfl; 75*0

Vl.453e+Cl РЧ- + 1.3Э8е+01 И- +1,2248+01

—V +1.1106+01 (-4- +9.960е+00 U4- +8.8iSe+00 Н +7,676е+00 Н- +6-535е+00 М- + 5.393С+00 к4 44.2516+00 U +3.10Эе+00 +i.96Se+00 * +В.26le-01

Рис. 5. Распределение эквивалентных напряжений в газоводе при минимальной толщине стенки 3 мм

52

Полученные результаты позволили обосновать основные проектные параметры установки для полунатурного моделирования тепломассооб-менных процессов в газоводе за диафрагмой, обеспечивающие необходимую точность замера температур.

Список литературы

1. Разработка РСЗО на базе компьютерных технологий / В. А. Дунаев [и др.]. Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. 210 с.

2. Основы теплопередачи в авиационной и ракетно-космической технике / под ред. В.С. Авдуевского. М: Машиностроение, 1991. 450 с.

Дунаев Валерий Александрович, д-р техн. наук, проф., dwa222@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Каширкин Александр Александрович, д-р техн. наук, нач. отдела, evl.olg@yandex.ru, Россия, Тула, АО ««НПО «Сплав»,

Евланова Ольга Александровна, канд. техн. наук, доц., evl.olg@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Евланов Андрей Александрович, студент, ewlanow 71@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

EXPERIMENTAL SETUP FOR THE HIL SIMULA TION OF HEA T AND MASS TRANSFER PROCESSES IN THE GAS PASSAGE BEHIND THE DIAPHRAGM

V.A. Dunaev, A.A. Kashirkin, O.A. Evlanova, A.A. Evlanov

The article considers the problems of engineering design of the experimental plant for investigation of the processes of heat and mass transfer processes in the gas passages. Shown in the article is the layout chart of the thermal sensors ensuring an enhanced accuracy in the temperature measurements. The optimum alternative of the experimental plant has been chosen.

Key words: experimental plant, heat and mass transfer processes, gas passages, temperature measurements.

Dunaev Valerij Aleksandrovich, doctor of technical sciences, professor, dwa222@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Kashirkin Alexander Alexandrovich, doctor of technical sciences, head of department, evl.olg@yandex.ru, Russia, Tula, AO «NPO «Splav»,

Evlanova Olga Alexandrovna, candidate of technical science, docent, evl. olg@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Evlanov Andrei Aleksandrovich, student, ewlanow 71@,mail.ru, Russia, Tula, Tula State University