научная статья по теме СОПОСТАВЛЕНИЕ РАСЧЕТНЫХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ ПО ЛАМИНАРНО-ТУРБУЛЕНТНОМУ ТЕПЛООБМЕНУ НА ПОВЕРХНОСТИ ПОЛУСФЕРЫ, ОБТЕКАЕМОЙ СВЕРХЗВУКОВЫМ ПОТОКОМ ВОЗДУХА Физика

Текст научной статьи на тему «СОПОСТАВЛЕНИЕ РАСЧЕТНЫХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ ПО ЛАМИНАРНО-ТУРБУЛЕНТНОМУ ТЕПЛООБМЕНУ НА ПОВЕРХНОСТИ ПОЛУСФЕРЫ, ОБТЕКАЕМОЙ СВЕРХЗВУКОВЫМ ПОТОКОМ ВОЗДУХА»

ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2015, том 53, № 2, с. 231-235

УДК 621.1.016+536.2

СОПОСТАВЛЕНИЕ РАСЧЕТНЫХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ ПО ЛАМИНАРНО-ТУРБУЛЕНТНОМУ ТЕПЛООБМЕНУ

НА ПОВЕРХНОСТИ ПОЛУСФЕРЫ, ОБТЕКАЕМОЙ СВЕРХЗВУКОВЫМ ПОТОКОМ ВОЗДУХА

© 2015 г. В. В. Горский1, М. А. Пугач2

1ОАО "ВПК "НПОмашиностроения", Москва 2Московский физико-технический институт E-mail: gorsknat@yandex.ru Поступила в редакцию 14.01.2014 г.

На базе анализа экспериментальных данных по распределению тепловых потоков на поверхности полусферы при турбулентном и переходном режиме течения газа в пограничном слое предложена модификация известной полуэмпирической модели турбулентности Себачи—Смита.

DOI: 10.7868/S0040364415020106

ВВЕДЕНИЕ

Обгар тепловой защиты гиперзвуковых летательных аппаратов (ГЛА), наблюдаемый при турбулентном режиме течения газа в пограничном слое, во многих случаях оказывает заметное влияние на аэродинамические характеристики изделия. В этой связи значительный интерес вызывает качество описания теплообмена на теплонапря-женных элементах конструкции этого типа, которое обычно базируется на использовании либо метода эффективной длины В.С. Авдуевского [1, 2], либо полуэмпирических (алгебраических или двух параметрических дифференциальных) моделей турбулентности [2].

В этой связи необходимо обратить внимание на то, что

• метод эффективной длины, основанный на перенесении экспериментальных данных по конвективному теплообмену, полученных для пластины, на поверхность произвольной кривизны, является одним из основных инструментов проектирования тепловой защиты в России [2];

• основное внимание в литературе посвящено исследованию турбулентных течений на боковых поверхностях изделий ракетно-космической техники (РКТ);

• использованию любых методов расчета турбулентного теплообмена, по сути своей являющихся полуэмпирическими, должна предшествовать их апробация в условиях, по возможности близких к натурным условиям;

• полусферические теплонапряженные элементы конструкции ГЛА относятся к числу наиболее часто встречающихся элементов на практике.

Все вышесказанное предопределяет повышенный интерес к проведению анализа погрешностей, свойственных применению основных расчетных процедур турбулентного теплообмена на полусфере, и поиску путей к снижению этих погрешностей.

Решению этих проблем и посвящена данная работа.

ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Объектом настоящих исследований являлись экспериментальные данные Уидхопфа и Холла [3], расчет изменения режима течения газа в пограничном слое проводился с использованием методики PANT [4] , а в качестве математических моделей теплообмена рассматривалась алгебраическая модель турбулентности Себачи—Смита [5] и метод эффективной длины В.С. Авдуевского [1, 2].

Анализируемые экспериментальные данные получены при числе Маха в набегающем воздушном потоке, равном 5, и температуре торможения порядка 500 K. Вследствие этого расчетные исследования выполнялись путем численного решения двухмерных уравнений пограничного слоя, записанных для совершенного газа в переменных Лиза—Дородницына [6].

Для определения положения переходной области на затуплении летательных аппаратов повсеместно [2] на практике используется методика работы [4], в рамках которой сохранение ламинарного режима течения газа в пограничном слое зависит

• от отношения шероховатости стенки к толщине потери импульса в этом слое,

• от свободной турбулентности в набегающем на тело газовом потоке,

• от скорости вдува газа в пограничный слой через стенку.

При этом для расчета критического значения числа Рейнольдса, которое определено по параметрам течения газа в пограничном слое и толщине потери импульса в нем и соответствует границе ламинарного режима течения газа в пограничном слое, используются формулы вида

d rFree

Re

ReeA1 = min (215/ d a7,300), Re

Re

e,bo

e,S / peUebrou,trans Ve

0.1GW + (1 + 0.25gW)

pw j

, (1)

, Ree,S =

_peue3

Ve

Здесь ГРгее — степень свободной турбулентности в набегающем газовом потоке; ре, це, ие — плотность, коэффициент динамической вязкости и скорость газа на внешней границе пограничного слоя; рк — плотность газа при температуре

стенки; Ree

— число Рейнольдса, рассчитан-

Ree

>

max [215.255 (1 -rFree/ d)]

d

0.7

'e, max

— максимальное значение Ree a на

где Re, поверхности тела.

Для расчета критического значения числа Рей-нольдса, которое определено по параметрам течения газа в пограничном слое и толщине потери импульса в нем и соответствует началу турбулент-

ного режима течения газа в пограничном слое, используется зависимость, предложенная в работе [8]:

Ree,s,2 = >/2 Ree,3,1'

1 + -

л/2 -1

•y/ctg2 [max (0, a Eff)] + 1J Здесь aEff — эффективный угол атаки, под которым понимается угол между вектором скорости летательного аппарата и плоскостью, касательной к поверхности тела.

Расчет коэффициента динамической вязкости газа ц производится с использованием коэффициента перемежаемости Г [2, 9] по формуле

и = и l + гиг, где и — ламинарный и турбулентный коэффициенты динамической вязкости. Величина коэффициента г, так же как и в работе [8], рассчитывается с использованием кубического сплайна вида

Г = max {0, min [1, (3 - 2^)]}, £ = (Ree,e- Ree,s,1 )/(Re

e,S,2 Ree, Э,1).

^^гоиДгаш

ное по параметрам течения газа на внешней границе пограничного слоя и высоте Ьгои, 1гаш. шероховатости стенки, характерной для перехода от ламинарного режима течения газа к турбулентному течению; Ree, а — число Рейнольдса, рассчитанное по параметрам течения газа на внешней границе пограничного слоя и толщине & потери импульса в ламинарном пограничном слое; Ом, — массовая скорость вдува газа в пограничный слой, измеренная в долях от коэффициента теплообмена на непроницаемой стенке.

Численному исследованию влияния турбулентности набегающего потока на тепломассообмен, в частности, посвящена работа [7].

Необходимым условием для возникновения турбулентного режима течения газа в пограничном слое, положение которого на поверхности тела определяется критерием (1), является выполнение неравенства

Расчет коэффициента теплопроводности производится по аналогичной формуле. При этом турбулентное число Прандтля полагается равным единице.

В рамках двухслойной полуэмпирической модели турбулентности Себачи—Смита во внутренней (пристеночной) и внешней области течения применяются различные формулы расчета составляющей коэффициента динамической вязкости, обусловленной турбулентными пульсациями газа.

В первой из указанных областей используется формула Прандтля

Иг =р12т К1,

в которой масштаб турбулентности 1Т полагается пропорциональным удалению расчетного узла от стенки (т.е. координате у), а для плавного сопряжения течения газа в пристеночной области с течением в ламинарном подслое используется демпфирующая функция Б(у) Ван-Дриста.

Таким образом, в этой области течения газа

D (у) = 1 - exp I -

Мт = Мт,in = Р [кyD (у)]2 |«у|,

у/у*^ „* = v* =

26

у* = м W

р wv*

(2)

Здесь р — плотность газа; и — тангенциальная проекция вектора скорости газа; у — координата, отсчитываемая от стенки в направлении ее внешней нормали; к — константа Кармана, равная 0.41; у*, V* — характерные значения длины и скорости, используемые в качестве масштабов; — напряжение трения на стенке. Индекс w относится к параметрам газа на стенке.

Во второй (внешней) области для расчета используется формула

Таблица 1. Условия проведения экспериментов, указанные в работе [3]

Иг = Ит,ои = 0.0168рц | - йучК1,

У к =

1 + ^ I уУ *

-1

(3)

, а = 6, р = 5.5.

Предел интегрирования в формуле (3) определяется из условия

= 0.995.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ ПО КОНВЕКТИВНОМУ ТЕПЛООБМЕНУ

В работе [3] опубликованы результаты многочисленных экспериментальных исследований ла-минарно-турбулентного теплообмена, выполненных при трех различных режимах. При этом радиус Я сферического скругления модели во всех экспериментах был равен 0.0635 м. Информация об остальных условиях проведения этих исследований приводится в табл. 1, где N — номер режима испытаний; Яеот, Я — число Рейнольдса, рассчитанное по параметрам воздуха в набегающем потоке и радиусу сферического затупления модели; qw, 0 — удельный тепловой поток в критической точке сферического затупления модели, рассчитанный по формуле Фэя—Ридделла [10]; Тп — отношение температуры стенки к температуре торможения воздушного потока.

Для проведения расчетных исследований данных, помещенных в табл. 1, явно недостаточно. Однако недостающая информация может быть получена путем построения итерационного процесса по температуре в набегающем воздушном потоке, обеспечивающей заданное значение удельного теплового потока в критической точке сферического затупления модели. Результаты решения указанной задачи приводятся в табл. 2.

Результаты экспериментальных исследований по распределению конвективного теплообмена на поверхности полусферы, полученные в работе [3], приводятся на рисунке. Здесь qw — удельный тепловой поток, измеренный в долях от его значения в критической точке сферического затупления модели, рассчитанного по формуле Фея-Ридде-ла; ж — длина криволинейной образующей сферы, измеренная от ее критической точки в долях от радиуса этой сферы Я.

На этом же рисунке приводятся аналогичные результаты описанных ниже расчетных исследований, выполненные в различных постановках:

• с использованием стандартной модели расчета турбулентной вязкости Себачи—Смита;

№ м „ Яем, я/106 qw,0, МВт/м2 Т

I 5 10 0.41 0.25

II 5 4 0.25 0.26

III 5 2.5 0.19 0.23

Таблица 2. Установленные условия проведения экспериментов

№ То, к рот, кг/м3 Ух, м/с Тс, К р0, МПа Т^ К

I 82.3 0.9895 909.3 493.8 0.762 123.450

II 81.4 0.3872 904.3 488.4 0.296 126.984

III 79.9 0.2310 896.0 479.4 0.173 110.260

• с использованием модифицированной модели расчета турбулентной вязкости Себачи—Сми-та, предложенной в данной работе;

• с использованием метода эффективной длины.

РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Во всех расчетах газ считался совершенным, а условия на внешней границе пограничного слоя формировались на базе решений уравнений Эйлера с последу

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком