УПРАВЛЕНИЕ ТУРБУЛЕНТНЫМ ПЕРЕНОСОМ В ПОГРАНИЧНОМ СЛОЕ: механизмы и модели

Ковальногов Н.Н.

Ульяновский государственный технический университет, Ульяновск, Россия

Проблема управления турбулентным переносом в пограничном слое актуальна для эффективного воздействия на интенсивность теплоотдачи, массоотдачи и сопротивления движущегося потока рабочего тела в элементах энергетических устройств, транспортных системах и т.п. В литературе предложен ряд методов и устройств как интенсификации теплоотдачи и сопротивления, так и их ослабления (см., например, [1–7]). Среди этих методов наиболее эффективными являются те, которые основаны на воздействии на пристенную турбулентность. К ним относятся, например, использование перфорированных поверхностей с глухими демпфирующими полостями, наложение на движущийся поток акустического поля или ультразвуковых колебаний давления; использование каналов с чередующимся конфузорными и диффузорными участками; применение теплообменных поверхностей с поперечными гофрами или элементами дискретной шероховатости, на которых реализуется изменение по длине обтекаемой поверхности продольного градиента давления, кривизны поверхности и пр.

Поиск и практическая реализация оптимальных методов управления турбулентным переносом сдерживаются недостаточным развитием теории турбулентности. Разработка соответствующих математических моделей по турбулентному переносу в пристеночном пограничном слое, подверженном управляющим воздействиям, позволяет обосновать принципиальную возможность и пределы такого управления, установить перечень управляющих воздействий и познать их взаимосвязь с характеристиками турбулентного переноса в пограничном слое. Для построения такого рода моделей предпринято комплексное исследование влияния воздействий разной природы (продольного градиента давления, динамической и тепловой нестационарности, повышенной внешней турбулентности, внутренних источников теплоты и количества движения в пограничном слое, глухих демпфирующих полостей на перфорированной поверхности) на турбулентную структуру, теплоотдачу и сопротивление потоков.

В рамках принятого подхода выделялось непосредственное и опосредованное влияние управляющих воздействий на осредненные параметры течения в пограничном слое, а, следовательно, на интенсивность теплоотдачи, трение, эффективность завесы. При этом имелось в виду, что система дифференциальных уравнений турбулентного пограничного слоя корректно отражает лишь непосредственное влияние различных воздействий. Опосредованное же влияние упомянутых воздействий проявляется через изменение коэффициентов турбулентного переноса теплоты и количества движения.

Влияние различных воздействий на коэффициенты турбулентного переноса изучалось экспериментально с использованием оригинального автоматизированного термоанемометрического комплекса. Этот комплекс позволил в частности выполнить исследование турбулентного переноса в динамически нестационарных (пульсирующих) потоках в каналах разной формы, а также выявить особенности, обусловленные перераспределением вклада различных составляющих пульсационной скорости в кинетическую энергию турбулентности стационарных потоков с продольным градиентом давления.

Результирующее влияние различных воздействий на теплообмен и трение в пограничном слое изучалось на основе численного исследования пограничного слоя (стационарного и нестационарного). При этом в уравнения закладывались реальные характеристики турбулентного переноса, установленные на основе экспериментального исследования турбулентной структуры потоков. Для подтверждения адекватности результатов численного анализа использовались имеющиеся в литературе и полученные автором экспериментальные данные по теплоотдаче и сопротивлению стационарных и нестационарных потоков в каналах разной формы.

Систематизация и обобщение результатов выполненного исследования позволили модифицировать двухпараметрическую дифференциальную модель турбулентного переноса (применительно к стационарным течениям), а также модель пути смешения Прандтля. Последняя обобщена на течения в пограничном слое с интенсивной пространственно-временной перестройкой профиля скорости и с неоднородным полем давления (при монотонном и периодическом изменении параметров), а также на течения около перфорированной поверхности с глухими демпфирующими полостями. Предложена модель пограничного слоя с внутренними источниками, которая позволила в первом приближении выявить основной механизм существенной (в разы) интенсификации теплоотдачи потоков газовзвеси в условиях инерционного выпадения конденсированных частиц на стенку.

Таким образом, в работе представлены результаты комплексного исследования закономерностей турбулентного переноса, теплоотдачи и трения в потоках с управляющими воздействиями продольного градиента давления, повышенной внешней турбулентности, тепловой и динамической нестационарности, внутренних источников теплоты и количества движения, глухих демпфирующих полостей на перфорированной поверхности. Предложены модели и методики расчета, адекватно отражающие выявленные особенности.