НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Файл статьи: SE-BMSTU...o080.pdf (1334.75Кб)

УДК 533.6.011.72

1 НИИ механики МГУ имени М.В. Ломоносова, Москва, Россия

В работе представлены результаты экспериментального исследования устройства безмашинного энергоразделения с поперечным оребрением сверхзвукового канала. Эффект энергоразделения предполагает физическое разделение исходного потока газа на два и более потоков с разными температурами торможения каждого. Среди известных эффектов безмашинного энергоразделения отмечены вихревые трубы Ранка-Хилша, резонансные трубы Гартмана-Шпренгера, пульсационные трубы и некоторые другие. Принцип действия исследуемого устройства основан на тепловом взаимодействии через теплопроводную разделительную стенку дозвукового и сверхзвукового потоков газа. Данный способ энергоразделения предложен академиком Леонтьевым и запатентован в 1998 году. В работе приводятся ссылки на ряд кандидатских диссертаций, статей и докладов на конференциях, посвященных исследованию «трубы Леонтьева». Детально проанализированы факторы, определяющие эффективность работы устройства. В работе основное внимание уделено феномену возникновения ударных волн в сверхзвуковом канале трубы Леонтьева. Эксперимент проводился на воздушном прототипе устройства энергоразделения при числах Маха в сверхзвуковом потоке 1.9 и 2.5, температурах торможения на входе в установку 40°С и 70°С, а также при прямоточной и противоточной схемах движения воздуха в дозвуковом и сверхзвуковом каналах устройства. Ударные волны генерировались с помощью установки кольцевых ребер в сверхзвуковом канале устройства. Исследования проводились с помощью тепловизионной камеры, термопар, датчиков полного и статического давления, современного оборудования автоматизации эксперимента National Instruments. В работе показано, что ударные волны не оказывают негативного воздействия на эффект безмашинного энергоразделения. Сделан вывод, что непредвиденное возникновение ударных волн в сверхзвуковом потоке не приведет к потере работоспособности устройства. Получено, что режим противотока работы исследуемого устройства оказывается эффективнее, чем прямоток. Эффект энергоразделения также оказывается выше при увеличении числа Маха и начальной температуры торможения потока. Предложено объяснение результатов и обосновано направление дальнейших исследований.

1. Eckert E.R.G. Energy separation in fluid streams // International Communications in Heat and Mass Transfer. 1986. Vol. 13, iss. 2. P. 127-143. DOI: 10.1016/0735-1933(86)90053-9
2. Леонтьев А.И. Газодинамические методы температурной стратификации (обзор) // Известия РАН. Механика жидкости и газа. 2002. № 4. С. 6-26.
3. Бурцев С.А., Леонтьев А.И. Исследование влияния диссипативных эффектов на температурную стратификацию в потоках газа (обзор) // Теплофизика высоких температур. 2014. Т. 52, вып. 2. С. 310-322. DOI: 10.7868/S0040364413060069
4. Леонтьев А.И. Способ температурной стратификации газа и устройство для его осуществления (труба Леонтьева): пат. 2106581 Российская Федерация. 1998. Бюл. № 7. 5 с.
5. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя: пер. с англ. М.: Наука, 1974. 711 с.
6. Леонтьев А.И., Бурцев С.А. Устройство вихревого газодинамического энергоразделения // Доклады академии наук. 2015. Т. 464, № 6. С. 679-681. DOI: 10.7868/S0869565215300106
7. Макаров М.С., Макарова С.Н. Эффективность энергоразделения при течении сжимаемого газа в плоском канале // Теплофизика и аэромеханика. 2013. № 6. С. 777-787.
8. Бурцев С.А. Исследование путей повышения эффективности газодинамического энергоразделения // Теплофизика высоких температур. 2014. Т. 52, вып. 1. С. 14-21. DOI: 10.7868/S0040364414010062
9. Волчков Э.П., Макаров М.С. Газодинамическая температурная стратификация в сверхзвуковом потоке // Известия РАН. Энергетика. 2006. № 2. С. 19-31.
10. Бурцев С.А. Анализ влияния различных факторов на значение коэффициента восстановления температуры на поверхности тел при обтекании потоком воздуха. Обзор // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2004. № 11. DOI: 10.7463/1104.0551021
11. Здитовец А.Г. Изучение влияния формы поверхности и критерия Прандтля на температуру теплоизолированного тела, обтекаемого сверхзвуковым потоком газа: дис. … канд. техн. наук. М., 2005. 108 с.
12. Макаров М.С. Газодинамическая температурная стратификация в сверхзвуковых потоках: дис. … канд. физ.-мат. наук. Новосибирск, 2007. 154 с.
13. Вигдорович И.И., Леонтьев А.И. Энергоразделение газов с малыми и большими числами Прандтля // Известия РАН. Механика жидкости и газа. 2013. № 6. С. 117-134.
14. Егоров К.С., Рогожинский К.С. Численное моделирование влияния числа Прандтля газа и схемы течения на эффективность работы устройства безмашинного энергоразделения // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2015. № 10. С. 21-35. DOI: 10.7463/1015.0814490
15. Бурцев С.А., Кочуров Д.С., Щеголев Н.Л. Исследование влияния доли гелия на значение критерия Прандтля газовых смесей // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2014. № 5. С. 314-329. DOI: 10.7463/0514.0710811
16. Леонтьев А.И., Лущик В.Г., Якубенко А.Е. Влияние вдува (отсоса) на энергоразделение потоков сжимаемого газа // Известия РАН. Механика жидкости и газа. 2011. № 6. С. 110-117.
17. Леонтьев А.И., Лущик В.Г., Макарова М.С. Температурная стратификация при отсосе пограничного слоя из сверхзвукового потока // Теплофизика высоких температур. 2012. Т. 50, вып. 6. С. 793-798.
18. Здитовец А.Г., Титов А.А. Влияние формы поверхности теплоизолированного стержня, омываемого сверхзвуковым потоком, на коэффициент восстановления температуры // Известия РАН. Энергетика. 2007. № 2. С. 111-117. Режим доступа: http://istina.msu.ru/media/publications/article/401/bd9/7485545/2007_-_Izvestiya_AN_Energetika_-_Sterzhni.pdf (дата обращения 01.02.2016).
19. Бурцев С.А., Виноградов Ю.А., Киселев Н.А., Стронгин М.М. Экспериментальное исследование теплогидравлических характеристик поверхностей с коридорным расположением лунок // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2015. № 5. С. 348-369. DOI: 10.7463/0515.0776160
20. Бурцев С.А., Васильев В.К., Виноградов Ю.А., Киселев Н.А., Титов А.А. Экспериментальное исследование характеристик поверхностей, покрытых регулярным рельефом // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2013. № 1. С. 263-290. DOI: 10.7463/0113.0532996
21. Попович С.С. Экспериментальное исследование влияния падающего скачка уплотнения на адиабатную температуру стенки в сверхзвуковом потоке сжимаемого газа // Тепловые процессы в технике. 2014. № 3. С. 98-104.
22. Попович С.С., Виноградов Ю.А., Стронгин М.М. Экспериментальное исследование влияния отрывного сверхзвукового течения на температуру теплоизолированной стенки // Труды шестой российской национальной конференции по теплообмену. М.: Из-во МЭИ, 2014. С. 262-265.
23. Попович С.С., Виноградов Ю.А., Стронгин М.М. Экспериментальное исследование возможности интенсификации теплообмена в устройстве безмашинного энергоразделения потоков // Вестник СГАУ. 2015. Т. 14, № 2. С. 159-169. DOI: 10.18287/2412-7329-2015-14-2-159-169
24. Попович С.С., Виноградов Ю.А., Стронгин М.М. Экспериментальное исследование возможностей интенсификации теплообмена в устройстве газодинамической температурной стратификации // ХI Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики: сб. докл. Казань, 2015. С. 3089-3091.
25. Виноградов Ю.А., Здитовец А.Г., Стронгин М.М. Экспериментальное исследование температурной стратификации воздушного потока, протекающего через сверхзвуковой канал, с центральным телом в виде пористой проницаемой трубки // Известия РАН. Механика жидкости и газа. 2013. № 5. C. 134-145.
26. Бурцев С.А. Методика расчета устройств газодинамической температурной стратификации при течении реального газа // Тепловые процессы в технике. 2013. № 9. С. 386-390.
27. Вигдорович И.И., Леонтьев А.И. К теории энергоразделения потока сжимаемого газа // Известия РАН. Механика жидкости и газа. 2010. № 3. С. 103-109.
28. Боровой В.Я. Течение газа и теплообмен в зонах взаимодействия ударных волн с пограничным слоем. М.: Машиностроение, 1983. 144 с.
29. Бурцев С.А. Исследование устройства температурной стратификации при работе на природном газе // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2004. № 9. DOI: 10.7463/0904.0516097
30. Бурцев С.А. Исследование работы устройства температурной стратификации на воде и природном газе // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2005. № 5. DOI: 10.7463/0505.0529473
31. Здитовец А.Г., Виноградов Ю.А., Стронгин М.М. Экспериментальное исследование безмашинного энергоразделения воздушных потоков в трубе Леонтьева // Тепловые процессы в технике. 2015. № 9. С. 397-404.
32. Здитовец А.Г., Виноградов Ю.А., Стронгин М.М. Газодинамический метод энергоразделения воздушного потока (экспериментальные результаты) // ХI Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики: сб. докл. Казань, 2015. С. 1476-1478.
33. Бурцев С.А. Оптимизация геометрии сверхзвукового канала в устройстве для энергоразделения // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 1999. № 2 (35). С. 48-54.
34. Бурцев С.А., Леонтьев А.И. Температурная стратификация в сверхзвуковом потоке газа // Известия РАН. Энергетика. 2000. № 5. С. 101-113. Режим доступа: http://istina.msu.ru/media/publications/article/e41/112/8687914/2000_Izvestiya_AN_Energetika_N_5_-_Temperaturnaya_statifikatsiya.pdf (дата обращения 01.02.2016).