Парадоксы теплообмена на проницаемых поверхностях

В докладе будут представлены результаты последних исследований теплообмена на проницаемой поверхности. Начало этих исследований было положено в лаборатории термогазодинамики Института теплофизики СО АН СССР более полувекаа назад. Впервые были получены данные по критическим параметрам вдува, которые были положены в основу инженерных методов расчета турбулентного трения и теплообмена в проточных частях перспективных энергоустановок.

В последнее время в работах ученых Института теплофизики СО РАН, Института механики МГУ им. М.В. Ломоносова, ОИВТ РАН, МГТУ им. Н.Э. Баумана были обнаружены новые закономерности теплообмена на проницаемых поверхностях, положенные в основу безмашинного метода разделения газовых потоков. Построена математическая модель течения в газокапельном потоке сжимаемого газа, результаты расчета по которой подтверждены данными экспериментов, полученными с использованием современной диагностической аппаратуры. С использованием эксергетических подходов сформулированы условия максимальной температурной стратификации газовых потоков.

Advances of transpiration cooling for high heat flux surfaces

Transpiration cooling is an effective way to protect high heat flux walls. Transpiration cooling has been widely investigated to protect the leading edges of hypersonic vehicles, combustion chamber walls, struts in scramjet engines and other high heat flux components in spacecraft. This study presents advances of transpiration cooling, which includes transpiration cooling in supersonic mainstream, combined transpiration and film cooling, combined transpiration and opposing jet cooling, transpiration cooling with phase change, self-pumping transpiration cooling and transpiration cooling with additive manufactured porous material. The influences of injection ratio, porous material and shock wave on transpiration cooling in the supersonic mainstream were numerically and experimentally investigated.

The transpiration cooling efficiency decreased with increasing the intensity of shock wave. Increasing the heat conductivity coefficient of porous material was benefit for reducing the harmful effect of shock wave on transpiration cooling. The combined film and transpiration cooling effectively cools both the stagnation part and other parts of the nosecone. Non-uniform coolant injection with higher injection pressures in the front cavity and lower injection pressures in the back cavity more effectively utilized the limited coolant flow. Schlieren figures show that transpiration cooling and film cooling had little effect on the flow field stability and the shock wave profiles around the nosecone. Combined transpiration and opposing jet cooling could effectively cool the entire nosecone, especially the stagnation part. Schlieren images showed that this cooling method significantly affects the stability of the flow field and the profile of the detached shock wave. The detached bow shock was pushed away by the opposing jet; it then became unstable and even disappeared when the coolant injection pressure was increased.

Transpiration cooling using a liquid coolant with phase change has been found to be more effective than gaseous transpiration cooling. The average cooling efficiency and maximum temperature increased as the particle diameter of the sintered bronze porous plate was reduced from 600 μm to 200 μm. However, the transpiration cooling efficiency significantly decreased when the particle diameter further decreased to 90 μm, due to the vapor-blockage effect. The transpiration cooling was delayed by the vapor-blockage effect with only a small mass flow rate of the liquid coolant. The delay significantly decreased with increasing injection ratio or decreasing particle diameter. The transpiration cooling with phase change was unstable and oscillatory with the oscillation period and amplitude decreasing with decreasing coolant injection ratio or increasing particle diameter of the sintered porous plate.

A biomimetic self-pumping transpiration cooling system was developed inspired by the process of trees transpiration that has no pumps. An experimental investigation showed that the water coolant automatically flowed from the water tank to the hot surface without any pumps. A self-adaptive transpiration cooling system was then developed based on this mechanism. The coolant mass flow rate adaptively increased with increasing flame heat flux. A self-pumping internal transpiration cooling method was investigated experimentally for cooling a high heat flux surface with a maximum heat flux of 1.1 MW/m². The coolant for the self-pumping internal transpiration cooling was more efficiently utilized than that of traditional external transpiration cooling.

The strength of traditional sintered porous material was too low and the pore structure was uncontrollable. Consequently, developing porous media with high mechanical strength and precise geometry is important for transpiration cooling. Present study utilized the Selective Laser Melting Additive manufacturing technology to fabricate metal porous plates for transpiration cooling. Reinforcing partition walls were applied to the porous plate to further enhance the mechanical strength. The transpiration cooling efficiency of the additive manufactured porous plates with partition walls were as high as that of sintered porous plate, which reached 0.7 when coolant injection ratio was 2%. The presence of solid partition walls did not affect the cooling efficiency even for a high blocking ratio of 60%. The mechanical property was significantly improved by additive manufactured porous plate with partition walls. The ultimate tensile strength (UTS) increased by 440% compared to sintered porous material. Such results demonstrated that additive manufacturing and reinforced partition walls might be potential solutions to enhance the mechanical strength of transpiration cooling.

Recent progress in experiments and diagnostics for combustion study

Reliable and predictable combustion model can help us to understand the combustion process deeply, and potentially help us to design higher-performance engines, increase combustion efficiency and reduce harmful emissions. However, the development of combustion model is badly relied on the advances of experimental and diagnostic methods. In this talk, basic experimental and diagnostic methods will be introduced. Some recent results will be presented with vacuum ultraviolet (VUV) photoionization mass spectrometry. Benefiting from the novel design and the upgraded instruments located at Hefei Light Source, a lot of “new” reactive species can be unambiguously detected, i.e., H, O, OH, and hydroperoxides. Furthermore, the techniques can be applied in the detection of gas-phase products of heterogeneous reactions including catalysis reaction, biomass pyrolysis etc. Furthermore a recently built laser diagnostics system at our laboratory will be introduced for application in swirling flame and turbulent jet flame.

Процессы переноса в микро- и нано каналах

Ключевым моментом понимания характера течений в микро- и наноканалах являются происходящие в них процессы переноса. В отсутствии прямых методов измерения коэффициентов переноса в таких течениях альтернативой является создание соответствующей последовательной теории и молекулярное моделирова-ние. В данной работе методами неравновесной статистической механики построена теория процессов пере-носа в микро- и наноканалах. Показано, что процессы переноса существенно зависят не только от взаимо-действия молекул флюида друг с другом, но и от их взаимодействия с атомами стенок канала. Результаты развитой теории иллюстрируются молекулярно-динамическим моделированием вязкости флюидов в плос-ком канале и в каналах с круговым и прямоугольным сечением. Показано, что, меняя материал стенок нано-канала, можно управлять эффективной вязкостью жидкости, а тем самым и гидравлическим сопротивлением канала.

Влияние пористых вставок на аэродинамику летательных аппаратов

Представлены результаты экспериментального и численного моделирования сверхзвукового обтекания цилиндра с передней газопроницаемой вставкой из высокопористого ячеистого материала (ВПЯМ). Исследования выполнены при числе Маха М = 5-21. Численное моделирование проведено на базе решения уравнений Навье-Стокса, осредненных по Рейнольдсу. Получены коэффициенты аэродинамического сопротивления. Построены поля параметров внешнего течения и течения внутри ВПЯМ, найдена форма эффективного тела обтекаемой модели. Структура ВПЯМ моделируется системой колец разного диаметра, расположенных в шахматном порядке в радиальном и продольном направлениях. Экспериментальные и расчетные данные показали существенное снижение аэродинамического сопротивления в широком диапазоне условий сверхзвукового обтекания. Полученные данные по коэффициенту аэродинамического сопротивления цилиндра обобщены с помощью параметра, в который входит отношение диаметра цилиндра к диаметру пор и число Маха. Данный параметр предложен в качестве критерия подобия в задаче сверхзвукового обтекания цилиндра с передней высокопористой ячеистой вставкой.

Конвективный теплообмен в динамически неравновесных турбулентных течениях

Представлены результаты экспериментального исследования конвективного теплообмена в динамически неравновесных течениях. Рассмотрены течения с изменяющимся градиентом давления как по пространственной координате, так и по времени – при вынужденных колебаниях потока в канале. Обнаружена высокая чувствительность характеристик теплообмена и турбулентности потока к степени неравновесности потока. Наиболее чувствительными к динамическим воздействиям на поток оказались отрывные течения, в которых под влиянием этих воздействий при прочих равных условиях может достигаться более чем двукратная интенсификация теплообмена. Выявлены некоторые закономерности связи конвективного теплообмена с характеристиками пристеночной турбулентности в неравновесных течениях.

Закономерности инициирования и распространения детонации

Обсуждены закономерности экспериментального инициирования и последующего распространения многофронтовой детонации, а также проанализированы используемые при моделировании этих процессов предположения.

Большое количество характерных пространственных и временных параметров, необходимых для описания газодинамических и кинетических особенностей инициирования горючих смесей, позволяет решать задачу об инициировании горения и детонации лишь при достаточно сильных упрощениях. Лишь в единичных статьях на примере нереагирующих (инертных) сред рассматривались такие вопросы как изменение во времени сопротивления взрывающейся проволочки при пропускании импульсного тока, развитие неустойчивости на расширяющейся границе расплавленного металла и его дробления на капли, электромагнитная неустойчивость плазменного облака, формирование взрывной волны. В случае реагирующих смесей добавляется неустойчивость газодинамического комплекса из головной ударной волны и следующего за ней фронта пламени. При воспламенении дозвукового режима горения необходимо учитывать турбулизацию фронта горения и самой смеси, что привносит в задачу дополнительные характерные параметры турбулентного потока.

Инновационные схемы заградительного охлаждения лопаток высокотемпературных газовых турбин

Рассмотрены результаты исследования инновационных схем пленочного охлаждения с выпуском охладителя в углубления полусферической, треугольной и цилиндрической формы, а также в поперечную траншею. Выпуск охладителя в углубления приводит к предварительному расширению охлаждающей струи, «подавлению» «почечного» вихря и «прилипанию» охладителя к поверхности охлаждения. При всех параметрах вдува эффективность охлаждения исследованных схем выше, чем для традиционной схемы наклонных отверстий. При малых и умеренных параметрах вдува (m<1.0) лучшие результаты показала схема с подачей в двухрядную схему полусферических углублений. При высоких значениях (m=2.0) более эффективна схема с подачей охладителя в двухмерную траншею. Фасонные отверстия, которые характеризуются более сложной технологией изготовления, имеют преимущества по эффективности охлаждения только при m=2.0 и x/d >15. Изучено влияние кривизны поверхности, ее вращения и неизотермичности на эффективность пленочного охлаждения.

Вычислительная архитектурно-строительная аэродинамика

Ретроспективный анализ двадцатилетнего развития вычислительной архитектурно-строительной аэродинамики представляется. Рассматриваются циклы численных исследований по моделированию ветровых порывов, управлению обтеканием с помощью вихрегенераторов и дросселирующего эффекта, по влиянию орографической шероховатости, по нестационарной аэродинамике затупленных тел и составленных из них ансамблей. Особое внимание уделяется разработке многоблочных вычислительных технологий решения URANS на основе структурированных разномасштабных сеток с их пересечением и верификации пакета VP2/3 на многомерных нестационарных тестовых задачах, имеющих экспериментальные аналоги. В их числе куб на плоскости и на стенке узкого канала, цилиндр и прямоугольная стойка на плоскости, канал с круговой каверной, полукруговой цилиндр и др. Применение SST-модели с учетом коррекции на кривизну линий тока в рамках подхода Роди-Лешцинера-Исаева обосновывается. Эффекты снижения лобового сопротивления анализируются.

Термосифоны: эксперимент, теория, практика, перспективы

Приводится описание конструкции и процесса работы термосифонов различного назначения. Описан комплекс теплофизических и гидродинамических процессов, протекающих в паровом канале, зонах испарения и конденсации, области стекания пленки конденсата. Выделена группа основных факторов, влияющих на характеристики работы термосифонов. Приведено описание основных экспериментальных методов исследования характеристик работы типичных термосифонов, и установленных по результатам экспериментов основных закономерностей процессов теплопереноса в термосифонах. Рассмотрена группа основных математических моделей, использующихся при описании процессов переноса массы, импульса и энергии в термосифонах при умеренных и высоких тепловых нагрузках. Приведены результаты математического моделирования процессов теплопереноса в рассматриваемых теплообменниках. Выполнен анализ возможности использования упрощенных математических моделей при прогнозе характеристик работы термосифонов. Приведены типичные примеры применения термосифонов как основных элементов систем обеспечения теплового режима работы сложного технического и технологического оборудования. Рассмотрены перспективы использования термосифонов в различных отраслях промышленности.

Инфракрасная термография и тепловой неразрушающий контроль: современное состояние и перспективы развития

Инфракрасная (ИК) термография, или тепловидение, в последнее десятилетие испытывает существенный подъем, обусловленный прогрессом в технологии изготовления матричных детекторов ИК излучения и коммерческого производства разнообразных типов ИК камер (тепловизоров). Одной из специфических областей использования ИК термография является тепловой неразрушающий контроль (ТК) материалов и изделий. Будучи сугубо прикладной областью, ТК имеет серьезную фундаментальную основу в виде теории нестационарной теплопроводности. Принцип ТК основан на выявлении скрытых дефектов твердых тел по их температурным «отпечаткам», создаваемым на поверхности объектов контроля стимулирующими тепловыми потоками. Значение ТК существенно выросло в последние годы, поскольку данный метод оказался весьма эффективным при испытаниях композиционных материалов. В докладе описаны типы и параметры современных тепловизоров, зарубежные и отечественные достижения в области разработки и применения тепловых дефектоскопов, прежде всего, в авиакосмической промышленности. Кратко отмечены применения ТК в строительстве, энергетике и ночном видении.

Механизм противотоков и циркуляционных ячеек в закрученных течениях

Закрученные течения имеют ряд парадоксальных свойств, которые важны для приложений и представляют фундаментальный научный интерес. Например, в гидроциклонах вода течёт у боковой стенки, а содержащиеся в ней капельки нефти всплывают к оси и текут там в противоположном воде направлении. В вихревых трубках Ранка горячий воздух течёт у стенки, а холодный - у оси в противоположном горячему воздуху направлении. В этих устройствах сильна турбулентность, которая, казалось бы, должна разрушить противоток, перемешав встречные течения. Но вопреки интуиции противоток наблюдается даже в очень длинных вихревых трубках с отношением длины к радиусу порядка сотни. При определённых условиях в вихревых камерах сгорания возникает двойной противоток: горячие продукты вытекают из камеры в цилинлрической кольцевой области, разделяющей приосевой и пристенный втекающие потоки холодного воздуха. Такая необычная структура течения нуждается в объяснении.

Противоток может быть локальным (когда протяженность возвратного течения мала по сравнению с масштабом окружающего потока) и отделен от окружающего потока непротекаемой замкнутой повехностью. Содержащая противоток часть течения называется циркуляционной ячейкой (ЦЯ). Такие ЦЯ возникают над дельта-образными крыльями самолётов и уменьшают подъёмную силу, что опасно при маневрах. В вихревых камерах сгорания ЦЯ стабилизируют пламя и уменьшают вредные выбросы. В химических газовых и в биологических двужидкостных вихревых реакторах, ЦЯ способствуют перемешиванию ингредиентов, что увеличивает выход полезного продукта. В дисковой части газовых химических реакторах возникают множественные ЦЯ, которые обеспечивают хорошее смешение. В двужидкостных биореакторах появление ЦЯ при усилении вращения связано с таким неожиданным эффектом, как проскальзывание на поверхности раздела.

Показано, что эти, противоречащие интуиции, явления могут быть вызваны довольно простым механизмом, который для краткости обозначим МЗВ (механизм затухания вращения). При быстром вращении в уравнении баланса радиального импульса доминируют два члена – центробежная сила и радиальный градиент давления, по сравнению с которыми остальные члены пренебрежимо малы. В результате такого баланса, называемого циклострофическим, давление на оси вихря меньше давления на его периферии. И чем быстрее вращение, тем ниже давление на оси вихря. Это, в частности, приводит к тому, что торнадо действует, как гигантский вакуумный пылесос, срывая крыши с домов.

Пристенный тепломассоперенос в сложных условиях

В докладе представлен ретроспективный анализ экспериментальных и теоретических исследований пристенного тепломассопереноса при наличии сложных условий течения. Рассмотрен широкий круг вопросов о воздействии большого числа факторов на структуру течения и турбулентный тепло и – массообмен, таких как проницаемость стенки, неизотермичность, продольный градиент давления, химические реакции на поверхности и в пограничном слое, течения с фазовыми переходами и др. Рассмотрены достижения в области теплообмена в отрывных и вихревых потоках, а также в пристенных газовых завесах. Особое внимание уделено анализу результатов, полученных в Институте теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН.

Основные направления в развитии стационарного энергооборудования

Перспективные топлива и горючие для высокоскоростных летательных аппаратов

Рассмотрены физико-химические процессы, происходящие в топливах при высокотемпературном нагреве в каналах и форсунках топливных систем, системах регенеративного охлаждения перспективных высокоскоростных ВРД.

Показаны возможности реализации химического хладоресурса при высокотемпературном нагреве как жидких, так и твердых углеводородных топлив. Построена имитационная модель сложной системы «ЛА-ВРД-Топливо», позволяющая формировать требования к характеристикам новых топлив из условия обеспечения экстремума целевой функции при наличии конструктивно-геометрических и эксплуатационных ограничений. Представлены результаты поисковых исследований по созданию энергоемких безметальных эндотермических твердых топлив, а также топлив, не содержащих окислитель, обеспечивающих увеличение дальности полета ЛА в ПВРД на 80% (!), по сравнению с существующими аналогами. Созданные эндотермические топлива позволяют обеспечить длительную работоспособность камер сгорания высокоскоростных ВРД, изготовленных из современных конструкционных материалов. Показаны пути создания энергоемких топлив нового поколения.

Метастабильные состояния и их устойчивость при фазовом переходе жидкость-кристалл: молекулярно-динамическое моделирование