халатов теория и практика закрученных потоков

Современное состояние исследований по интенсификации процессов гидродинамики и теплообмена в каналах с локальными завихрителями. Часть 1

Рубрика: Технические науки

Дата публикации: 20.06.2017 2017-06-20

Статья просмотрена: 844 раза

Библиографическое описание:

Ибрагимов, У. Х. Современное состояние исследований по интенсификации процессов гидродинамики и теплообмена в каналах с локальными завихрителями. Часть 1 / У. Х. Ибрагимов. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2017. — № 24 (158). — С. 147-150. — URL: https://moluch.ru/archive/158/44697/ (дата обращения: 06.11.2021).

Интенсификация теплообмена в теплообменных аппаратах имеет большое народнохозяйственное значение. В результате интенсификации процессов теплообмена можно добиться существенного уменьшения массы и габаритов теплообменного оборудования, а также обеспечить заданный температурный уровень элементов этого оборудования и повысить надежность их работы.

Закрутка потока в каналах может обеспечиваться не только специально предназначенными для этого закручивающими устройствами, такими, как скрученные ленты, шнеки, устройства для тангенциального подвода теплоносителя или аксиально-лопаточные завихрители, но и другими методами, также отнесенными в классификациях к пассивным: оребрением, развитием и профилированием поверхностей, винтовыми вставками, накатками, навивками и т. п. В промышленности и энергетике пассивные методы интенсификации теплообмена, занимают ведущую роль. Это обусловило широкое распространение в технике способа интенсификации теплообмена с помощью закручивающих элементов различной геометрии.

Локальная закрутка потока осуществляется с помощью аксиально-лопаточных завихрителей, путем тангенциального ввода жидкости через один или несколько периферийных подводов, а также посредством улиточных завихрителей или тангенциально-лопаточных устройств [1–3].

Тангенциальный подвод жидкости в трубу осуществляется через одно или несколько отверстий. Эти отверстия могут иметь круглую или прямоугольную форму поперечного сечения, при этом возможно различное распределение подводящей жидкости по периметру поперечного сечения трубы и ее длине. Обычно закрутка потока таким способом осуществляется в начале трубы, при этом через тангенциальные каналы может подводиться вся жидкость или только часть ее.

Тангенциальный завихритель — наиболее простое и распространенное устройство (рис. 1, а). Форма подводящих каналов в тангенциальном завихрителе может быть прямоугольной, круглой или овальной. Число подводящих каналов изменяется от одного до четырех, при их увеличении степень азимутальной неравномерности скорости за завихрителем уменьшается. Основными геометрическими параметрами тангенциального завихрителя являются ширина b и высота a подводящего канала, диаметр d и длина l отводящего патрубка e [3].

Рис. 1. Виды завихрителей: а) тангенциальный завихритель; б) тангенциально-щелевой завихритель

Теплоотдача в трубе с тангенциальным завихрителем на входе в трубу подробно исследовалась А. Абкаряном, А. Нау и P. West (США). Для низких чисел Рейнольдса (Re_d10 4 ) опытные данные обобщены уравнением (А. Нау и P. West) [1]:

(1)

которое получено для трубы длиной l/d=18,0. В области Re_d=(2…5)10 5 при Ф 3 …2∙10 4 и =0,5…1, показывают, что уменьшение сопровождается повышением интенсивности теплообмена.

Лучшие результаты, полученные в [4] в диапазоне Re=3∙10 3 …10 4 с помощью тангенциального завихрителя, имеющего =0,5, можно охарактеризовать уравнением подобия

(3)

Тангенциально-щелевой завихритель (рис. 1, б) представляющий собой полый цилиндр, на торце которого выполнены узкие щели. Изменение степени закрутки завихрителя достигается изменением числа пазов и угла их наклона.

(4)

Здесь: * — текущее значение угла закрутки потока около поверхности канала.

Э. Волчков и С. Спотарь исследовали локальную теплоотдачу в трубе с частичной закруткой. Угол закрутки потока на выходе из завихрителя достигал 74 градусов. При течении воздуха опытные данные обобщены уравнением

(5)

Уравнение (5) получено в области =20…110, x/R=0,125 [3].

Недостатки таких завихрителей интенсивность создаваемой ими закрутки уменьшается по длине трубы, поэтому при длинных трубах закрутки потока надо многократно повторять.

Лопаточный завихритель представляет собой осевой направляющий аппарат с лопатками, расположенными по радиусу канала. Лопатки крепятся к внешнему кольцу и центральному телу диаметром d₀ и располагаются под определенным углом к оси канала. Конструкция лопаточных завихрителей показано на рис. 2. Лопатки завихрителя могут быть плоскими или криволинейными [3].

Рис. 2. Лопаточные завихрители: а) аксиально-лопаточный завихритель; б) завихритель с профилированными лопатками

А. Сударевым, В Антоновским и Л. Кузнецовым изучен локальный теплообмен в трубе длиной l/d=100 с закруткой воздуха аксиально-лопаточным завихрителем с постоянным углом закрутки лопаток (n=0). Угол закрутки лопаток _е изменялся от 50 до 78 градусов, безразмерный диаметр центрального тела составлял 0,65…0,83. В диапазоне изменения числа Re_x от 10 5 до 10 7 опытные данные обобщены уравнением

(6)

Здесь — параметр, определяющий изменение максимальной осевой скорости w_m по длине трубы.

(7)

(8)

Здесь _ — фактор закрутки потока.

В. Щукин и А. Ковальногов [1] исследовали локальную теплоотдачу в трубе с частичной закруткой потока при течении воды. В диапазоне Re_d=(1…9)10 4 опытные данные обобщены уравнением (l/d=60)

(9)

Результаты исследования теплоотдачи в трубах с лопаточными завихрителями при =75 0 и n=0 даны в виде графиков K_f=f(Re_f) [1].

(10)

(11)

Результаты обобщения опытных данных по теплоотдаче в трубах с лопаточными завихрителями даны в виде графиков K_=f(Re_f) и K_п=f(Re_f) [2].

Наибольшее отклонение опытных точек от зависимостей, соответствующих формулам (10) и (11), не превышает 6 %.

Недостатком лопаточного завихрителя является азимутальная скоростная неравномерность на выходе, обусловленная конечным числом каналов и вязкими свойствами потока. Поэтому угол закрутки лопаток значим только в том случае, когда имеет место взаимное «перекрытие» плоскостей лопаток.

Источник

Інститут технічної теплофізики

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ХАЛАТОВ АРТЕМ АРТЕМОВИЧ

Завідувач відділом високотемпературної термогазодинаміки ІТТФ НАНУ. Провідний спеціаліст у галузі термогазодинаміки потоків в полях відцентрових сил, систем охолодження лопаток газових турбін, нових вихрових технологій аеротермодинаміки, високотемпера-турної теплофізики, інтенсифікації тепло-обміну. Доктор технічних наук (1978), професор (1981), член-кореспондент НАНУ (1990) і дійсний член (академік) Національної академії наук України (2012) по Відділенню фізико-технічних проблем енергетики НАНУ.

Зробив значний внесок у термогазодинаміку потоків в полях відцентрових сил, яка є теоретичною базою всіх сучасних та перспективних теплових енергетичних машин та установок. Створив визнану в Україні та світі наукову школу, яка включає 40 докторів і кандидатів наук, одного з яких обрано членом-кореспондентом Національної академії наук України. Наукові та прикладні результати в області термогазодинаміки потоків в полях відцентрових сил і її додатків внесли істотний внесок у науково-технічний прогрес енергетичного та авіаційного газотурбобудування.

Дослідження Халатова А.А. в області термогазодинаміки потоків в полях відцентрових сил охоплюють сім напрямків: (1) внутрішні закручені і вихрові потоки [3, 4, 8, 10 – 12]; (2) поверхнево-вихрові системи (заглиблення різної форми) [4, 15]; (3) канали та поверхні, що обертаються [2, 7], (4) потоки близько опуклих і увігнутих поверхонь [13, 14]; (5) відцентрову нестійкість Гертлера і Тейлора [7, 14], (6) соплові апарати газових турбін і криволінійні канали з тривимірним потоком і локальними вихровими структурами [1, 5]; (7) нові вихрові технології аеротермодинаміки [6, 8, 9, 16 – 23].

По кожному з цих напрямків опубліковані узагальнюючі монографії. Частина нових наукових результатів отримана в лабораторіях університетів м. Кардіфф і Бат (Великобританія), м. Штуттгарт (Німеччина), Університетів штату Юта (Солт-Лейк-Сіті, США), Міннесота (Міннеаполіс, США) і Нью-Орлеан (Нью-Орлеан, США), Військово-повітряної академії США (Колорадо Спрінгс), Rensselaer Polytechnic Institute (Трой, США) при виконанні спільних міжнародних проектів та індивідуальних грантів.

Халатов А.А. – автор та співавтор 23 монографій та книг [1 – 23], 4 навчальних посібників для вузів [24 – 27], 650 статей (близько 100 англійською мовою) і понад 110 авторських свідоцтв та патентів України та Росії. Найбільш важлива наукова публікація – фундаментальна 10-томна монографія «Теплообмін і гідродинаміка потоків в полях відцентрових сил» [1 – 9, 16], яка широко використовується в наукових дослідженнях та при проектуванні багатьох типів теплових енергетичних машин і установок.

Під керівництвом Халатова А.А. виконаний великий цикл досліджень в області конвективного та конвективно-плівкового охолодження соплових апаратів і лопаток газових турбін III і IV поколінь. Зокрема, розроблені основні положення Концепції конвективного і конвективно-плівкового охолодження високонавантажених соплових апаратів високотемпературних газових турбін з тривимірно-вихровою структурою потоку [5, 20, 21]. Концепція стала теоретичною базою проектування систем охолодження багатьох типів високотемпературних газових турбін різного призначення. Істотно розвинена теорія вихрової системи охолодження лопаток газових турбін, яка враховує закрутку та тривимірну структуру потоку в каналах вихрової матриці [6, 20, 21].

Ці результати внесли значний вклад у створення в Україні (ДП НВКГ «Зоря» – «Машпроект») і Росії ( «А. Люлька-Сатурн») економічних газових турбін серій UGT і АЛ для магістральних газопроводів (15 – 25 МВт) і виробництва електроенергії (15 – 45 МВт) з показниками світового рівня. Основні положення Концепції конвективного охолодження соплових апаратів з тривимірно-вихровою структурою потоку були також використані при проектуванні систем охолодження соплових апаратів потужних газотурбінних двигунів (ДП «Івченко-Прогрес») для транспортної авіації рекордної вантажопідйомності (АН-124, АН-225).

Запропонована та детально вивчена інноваційна ідея циклонного охолодження лопаток газових турбін, заснована на принципі закрутки потоку в каналах охолодження, яка характеризується високим рівнем теплообміну і більш простою технологією виготовлення. За 30 років в Україні накопичена велика база наукових даних, вивчені та запатентовані кілька схем циклонного охолодження передньої кромки лопаток. Великий цикл фундаментальних і прикладних досліджень з теорії циклонного охолодження виконаний спільно з Росією ( «А. Люлька-Сатурн»), Великобританією (Університет м. Кардіфф) і США (Rensselaer Polytechnic Institute; «Solar Turbines»; Військово-повітряна академія США, Університети штатів Міннесота і Юта).

Досвід ІТТФ НАНУ в області теорії закручених потоків був використаний при розробці циклонного охолодження робочих лопаток газотурбінного двигуна АЛ-31Ф для високоманевреної літака СУ-27 ( «А. Люлька-Сатурн», Росія). Використання інноваційних рішень (циклон охолодження лопаток; плівкове охолодження соплових апаратів з тривимірно-вихровою структурою, ін.) Забезпечило створення двигуна світового класу. З 1983 року цей двигун виробляється в Росії серійно; на його базі створені модифікації двигунів для літаків СУ-30, СУ-33, СУ-34 і ін.

За участю України схема циклонного охолодження лопаток використана при створенні енергетичної газової турбіни «Mercury 50» (інноваційний проект Міністерства енергетики США) потужністю 4,6 МВт ( «Solar Turbines», США). Застосування інтенсивного типу циклонного охолодження в області передньої кромки робочої лопатки дозволило використовувати конвективное охолодження до температури газу перед турбіною на рівні 1500 К, що майже на 1000К вище, ніж при використанні традиційної схеми внутрішнього охолодження. Газова турбіна «Mercury 50» з регенерацією вихідної теплоти характеризується рекордним для даного класу енергетичних газових турбін ККД (38 – 38,5%) і тривалим життєвим циклом (100 тис. годин). З 2003 р ця газова турбіна надійшла в комерційну продаж.

У 2002 р робота з міжнародного проекту в області циклонічної схеми охолодження лопаток газових турбін удостоєна Першої міжнародної премії Наукового Комітету НАТО (спільно з Великобританією і Росією).

Халатов А.А. веде активну роботу по професійній підготовці молодих наукових кадрів в галузі теплофізики та енергомашинобудування. Він член двох спеціалізованих вчених рад по захисту докторських дисертацій, семи редколегій журналів України, Білорусі та Росії, удостоєний вищої нагороди НАН України «За підготовку наукової зміни». Організував і провів в Україні 20 міжнародних конференцій для молодих вчених, п’ять міжнародних конференцій в галузі газотурбобудування, міжнародні семінари Наукового Комітету НАТО і Civilian Research & Development Foundation (Україна-США). Створив кафедру «Фізика енергетичних систем» в Національному технічному університеті України ( «Київський політехнічний інститут» ім. І. Сікорського), яку очолює понад 5 років. У складі авторського колективу опублікував в центральних виданнях 4 навчальних посібники для вузів 26.

Роботи Халатова А.А. удостоєні ряду професійних, національних і міжнародних нагород. Він Почесний професор Університету м. Кардіфф (Великобританія), W.W. Clyde Chair Visiting Professor Університету штату Юта (СШA). Лауреат Державної премії України в галузі науки і техніки, двох наукових премій Національної академії наук України, Першої Міжнародної премії Наукового Комітету НАТО, Міжнародної наукової премії ім. академіка О.В. Ликова Національної академії наук Білорусі. Нагороджений медалями ім. академіка А. Підгорного Інженерної академії України, «40 років польоту Ю. Гагаріна в космос» (Російське космічне агентство). Наукові та прикладні дослідження підтримані понад 20 міжнародними грантами та проектами Європейського Союзу.

Халатов А.А. – Голова Комісії з промислових газових турбін Національної академії наук України, Зам. голови Національного Комітету України з тепло- і масообміну. Керував розробкою «Концепції модернізації газотурбінних двигунів для газотранспортної системи України» [17].

Халатов А.А. близько 7 років працював в університетах США і Великобританії, Військово-повітряної академії США. Запрошувався для лекцій і консультацій в провідні газотурбінні компанії та університети світу. Серед них, Oxford University, UK; Cambridge University, UK; Rolls-Royce plc., UK; ALSTOM ABB, UK; University of Minnesota, USA; University of New Orleans, USA; Solar Turbines, USA; Optimized Turbine Solutions, USA, Rolls-Royce Deutschlund, Німеччина та ін.

Монографії та книги:

Навчальні посібники для вузів:

Источник

Кафедра фізики енергетичних систем

У 2020-2021 навчальному році викладає такі дисципліни:

Консультації з дипломниками проводить по вівторках з 16 по 18 за допомогою e-mail, viber, skype, zoom

Артем Артемович Халатов закінчив Казансьий авіаційний інститут (КАІ). Научной работой увлекся в студенческие годы. Его первое исследование, выполненное в области новых систем охлаждения ракетных двигателей, было удостоено диплома Министра высшего и среднего образования РСФСР (1966).

В 1970 г. А. А. Халатов успешно защитил кандидатскую, а в 1977г. – докторскую диссертации по термогазодинамике интенсивных систем охлаждения высокотемпературных двигателей летательных аппаратов.

С июня 1978 г. по настоящее время А. А. Халатов работает в Институте технической теплофизики НАН Украины (ИТТФ НАНУ) старшим научным сотрудником, заведующим отделом с 1983 г., заместителем директора по научной работе (1986-1994).

В 1981 г. А. А. Халатову присвоено ученое звание профессора, а в 1990 г. он избран членом-корреспондентом НАН Украины по Отделению физико-технических проблем энергетики. В …. г. Академик

В ИТТФ НАН Украины А. А. Халатов инициировал и возглавил важное научное направление по тепломассообмену и гидродинамике в полях центробежных массовых сил. Под руководством и при непосредственном участии А. А. Халатова в Институте выполнен обширный цикл фундаментальных исследований вихревых и закрученных потоков, течений около криволинейных поверхностей и во вращающихся системах. Этими исследованиями сформирована уникальная база физических данных и разработан принципиально новый подход к расчету потоков в полях центробежных массовых сил, анализу их подобия и устойчивости. По данной проблеме отдел высокотемпературной термогазодинамики, руководимый А. А. Халатовым уже более десяти лет, занимает устойчивую ведущую позицию как в Украине, так и за ее пределами.
Характерной особенностью исследований А. А. Халатова и его коллектива является сочетание глубоких фундаментальных исследований с решением практических задач. Улучшенные методы расчета, новые системы охлаждения, интенсивные технологические процессы и аппараты, основанные на принципе вихревого и закрученного движения фаз, в течение многих лет используются в авиа- и ракетном двигателестроении, теплоэнергетике, энергомашиностроении, лазерной технике и оптоэлектронике, при закалке изделий машиностроения, в химической технологии и пищевой промышленности. Обширный цикл исследований выполнен в интересах оборонной промышленности.

Высокий уровень фундаментальных исследований А. А. Халатова и его научной школы, основополагающие научные результаты по всем направлениям термогазодинамики потоков в полях центробежных массовых сил, их практическая полезность получили заслуженное признание научной общественности. Эти результаты вошли в учебники и учебные пособия, справочную литературу, они широко цитируются отечественными и зарубежными авторами. А. А. Халатов автор и соавтор 12 монографий, нескольких учебников и учебных пособий для высших учебных заведений, более 300 научных статей (около 80 опубликованы за рубежом), свыше 80 авторских свидетельств и патентов. Среди публикаций монографии “Теплообмен, массообмен и гидродинамика закрученных потоков в осесимметричных каналах” (1982), “Теория и практика закрученных потоков” (1989), “Термогазодинамика сложных потоков около криволинейных поверхностей” (1999), фундаментальная монография в четырех томах “Теплообмен и гидродинамика в полях центробежных массовых сил” (1996-2000), созданная по инициативе и под руководством А. А. Халатова.

За весомый личный вклад в науку А. А. Халатову в 1992 г. присуждена премия НАН Украины им. Г. Ф. Проскуры, в 1995 г. он избран действительным членом Аэрокосмической академии Украины, а в 1996 г. – Почетным Профессором Университета г. Кардифф (Великобритания). За исследования в области новых систем охлаждения вихревого типа для газотурбинных двигателей А. А. Халатову в 2002 г. совместно с коллегами из Великобритании и России присужден первый приз Научного Комитета НАТО.

А. А. Халатов обладатель многих международных научных наград, в том числе грантов Лондонского Королевского Общества (Великобритания), Научного Комитета НАТО (Бельгия), Фонда Сороса и Фонда Развития Гражданских Исследований (Украина-США). Как ведущий специалист А. А. Халатов неоднократно приглашался в США, Англию, Германию, Францию, Бельгию, Корею, Китай и другие страны для чтения лекций и проведения научных семинаров. В 1996-2001 гг. он работал приглашенным Профессором Университета г. Кардифф.

А. А. Халатов проводит большую научно-организационную работу. Он более 30 лет преподает в вузах Украины и России. Под его руководством подготовлены 29 кандидатов наук, двое из которых защитили докторские диссертации, его ученики успешно работают в Украине, России, Кувейте, Гвинее, на Кубе. Он много лет сотрудничает с редакциями журналов “Промышленная теплотехника” (Украина), “Industrial Heat Engineering” (Украина-США), “Авиационная техника” (Россия), “Инженерно-физический журнал” (Беларусь), являясь членом их редакционных коллегий, автором и рецензентом.

Прикладная физика и куда ее прикладывать

Источник

Халатов теория и практика закрученных потоков

Глава 1. Местная закрутка потока в каналах

1.1. Особенности закрученных течений

1.2. Способы местной закрутки потока

1.3. Характеристики интенсивности закрутки потока

1.4. Интегральный параметр закрутки

1.5. Дифференциальные уравнения

1.6. Интегральные соотношения

1.7. Граница между ламинарным и турбулентным режимами

Глава 2. Течение закрученного потока в цилиндрическом канале

2.1. Характерные области закрученного течения по длине канала

2.2. Особенности течения вблизи завихрителя

2.3. Структура закрученных потоков на основном участке

2.4. Связь структуры закрученного потока с интенсивностью закрутки

2.5. Результаты обобщения опытных данных по структуре потока

2.6. Интегральные характеристики закрученного потока

2.7. Область пристенного течения закрученного потока

Глава 3. Влияние граничных и геометрических условий на характеристики закрученного потока

3.1. Влияние длины канала на развитие закрученного потока

3.2. Влияние диафрагмирования выходного сечения на развитие закрученного течения в относительно коротких цилиндрических каналах

3.3. Влияние частичной закрутки на входе на развитие закрученного течения

3.4. Влияние вдува на развитие закрученного течения в пористом цилиндрическом канале

3.5. Влияние сужения канала на развитие закрученного течения

Глава 4. Микроструктура закрученного потока

4.1. Микроструктура закрученного потока в трубах

4.2. Турбулентные характеристики в трубах с выходной диафрагмой

4.3. Микроструктура закрученного потока в проницаемом цилиндрическом канале

4.4. Микроструктура закрученного потока в каналах

4.5. Активное и консервативное воздействие центробежных массовых сил на поток

Глава 5. Аналитические и численные методы расчета закрученных потоков в каналах

5.1. Идеальное и вязкое ламинарное течение в трубах

5.2. Численные методы расчета ламинарных закрученных потоков

5.3. Закрученное течение в каналах переменного сечения

5.4. Математические модели для расчета турбулентных закрученных потоков

5.5. Предельные относительные законы трения, тепло- и массообмена для потоков с закруткой

Глава 6. Гидравлические характеристики закрученных потоков

6.1. Поверхностное напряжение трения в закрученном потоке

6.2. Закон трения и формпараметры закрученного течения

6.3. Закон трения и формпараметры течения при вдуве в закрученный поток

6.4. Потери энергии в закрученном потоке

6.5. Гидравлическое сопротивление завихрителей

6.6. Гидравлическое сопротивление закрученному потоку в длинной трубе

6.7. Гидравлическое сопротивление закрученному потоку в каналах различной длины. Влияние диафрагмирования канала на гидравлическое сопротивление

Глава 7. Теплоотдача закрученных потоков

7.1. Особенности процесса теплоотдачи в закрученных потоках

7.2. Теплоотдача в коротких каналах. Зависимость теплоотдачи от диафрагмирования канала на выходе

7.3. Теплоотдача в короткой трубе при частичной закрутке потока

7.4. Теплоотдача в короткой трубе при вдуве в закрученный поток

7.5. Теплоотдача закрученного потока в длинной трубе

Глава 8. Массоотдача закрученных потоков

8.1. Особенности массоотдачив закрученном потоке

8.2. Об аналогии процессов теплообмена и массообмена

8.3. Закон массообмена для закрученных потоков

8.4. Уравнение подобия для массообмена в закрученных потоках

8.5. Закон массообмена для частично закрученных потоков

8.6. Уравнение подобия для массообмена в частично закрученных потоках

Глава 9. Инженерные методы расчета течения, тепло- и массо-обмена закрученных потоков в каналах

9.1. Обобщенные законы тепло- и массообмена

9.2. Интегральный метод расчета закрученного течения в непроницаемых трубах

9.3. Интегральный метод расчета течения и теплообмена в проницаемом цилиндрическом канале

9.4. Приближенный экспериментальный метод определения поверхностного трения

9.5. Метод расчета профиля вращательный и осевой скоростей в цилиндрическом канале

9.6. О расчете некоторых характеристик внутреннего закрученного течения

9.7. Аналогия процессов переноса теплоты, массы и количества движения

9.8. Факторы интенсификации процессов тепло- и массообмена в потоках с закруткой

Источник