Другие журналы
Сетевое издание Аэрокосмический научный журнал

Издатель ФГБОУ ВПО "МГТУ им. Н.Э. Баумана". Эл. № ФС 77-61858. ISSN 2413-0982

Анализ влияния состава смесей на основе гелия на коэффициент восстановления температуры и число Прандтля

Аэрокосмический научный журнал # 06, ноябрь 2016
DOI: 10.7463/aersp.0616.0851777
Файл статьи: Aersp_Nov2016_026to048.pdf (1217.37Кб)
авторы: Кочуров Д. С.1,2,*, Щеголев Н. Л.1

УДК 533.27:621.499

1 МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия

2 МГУ им. М.В. Ломоносова, Москва, Россия

Обоснована эффективность применения газовых смесей с малым значением числа Прандтля Pr в качестве рабочих тел в замкнутых газотурбинных установках (ЗГТУ) космического назначения и в устройстве газодинамической температурной стратификации (трубе Леонтьева).
Показано, что для ЗГТУ минимальное значение Pr при оптимальных молекулярных массах m бинарных смесей газов на основе гелия He соответствует наиболее благоприятному сочетанию массовых, транспортных и теплофизических свойств этих смесей. При этом, уменьшение коэффициента динамической вязкости μ смеси приводит к уменьшению гидравлических потерь в тракте, увеличение коэффициента теплопроводности λ обеспечивает повышение коэффициентов теплоотдачи в теплообменных аппаратах и уменьшение потребных площадей их поверхностей, а увеличение m снижает аэродинамическую нагрузку на лопаточные машины, позволяя выполнить узлы турбомашин компактными. Так, при применении смеси He-Xe при m = 40 г/моль при значении Pr = 0,21…0,22  достигается десятикратное снижение аэродинамической нагрузки по сравнению с чистым He при сохранении коэффициентов теплоотдачи и семикратном увеличении гидравлических потерь в тракте.
Для трубы Леонтьева на базе упрощенного уравнения энергии для пограничного слоя безградиентного стационарного потока выполнен качественный анализ влияния транспортных и теплофизических свойств рабочей смеси на температуру теплоизолированной плоской непроницаемой стенки, омываемой сжимаемым потоком такой смеси, а также на коэффициент восстановления температуры r. С использованием уравнения Бернулли для описанного случая показано, что характерное распределение температуры торможения потока T* по толщине пограничного слоя с уменьшением ее значения ближе к стенке ниже среднерасходной для данного сечения T*ср имеет место тогда, когда толщина теплового пограничного слоя δт больше толщины динамического δд. При этом чем больше разница между δт и δд, тем меньше T* на стенке, тем меньше r, а равенство δт = δд имеет место при Pr = 1. С уменьшением μ смеси уменьшается δд, а с увеличением λ увеличивается δт, то есть с уменьшением Pr уменьшается значение T* на стенке и r. Чем меньше T* на стенке и r, тем больше располагаемый температурный перепад между сжимаемым сверхзвуковым потоком и несжимаемым дозвуковым, тем больше плотности тепловых потоков и тем меньше потребные площади теплообмена для срабатывания одной и той же тепловой мощности с единицы расхода.
Проведен анализ влияния различных факторов на r. Показано, что при любых Pr величина r увеличивается с ростом числа Рейнольдса Rex и уменьшается с ростом числа Маха M. Для развитого турбулентного течения при Rex > 107 для Pr ≥ 0,7 r практически не зависит от Rex и M, а для того же интервала Rex с уменьшением Pr от 0,7 до 0,1 зависимость r от Rex и M усиливается, а само значение r падает. Кроме того, величина r уменьшается с увеличением интенсивности вдува j в пограничный слой сжимаемого потока газа через проницаемую стенку, а для некоторых значений M на воздухе можно достичь более чем 30 % снижения по сравнению со случаем без вдува. При обтекании сверхзвуковым потоком газа облуненной поверхности значение r может упасть на 3 – 4 % по сравнению со случаем обтекания гладкой поверхности. Наиболее перспективными способами снижения r является использование смесей с малыми значениями Pr, организация вдува в пограничный слой сверхзвукового потока через проницаемую стенку или покрытие этой стенки регулярным рельефом.
Рассмотрены известные соотношения и методики, доступные в материалах открытой печати, для расчета r в зависимости от Pr, Rex и M на непроницаемой плоской стенке. В число проанализированных вошли: для ламинарного потока соотношение Польгаузена одной второй; для турбулентного потока соотношения Аккермана, Себана, Широкова-Джонсона-Рубезина, Сквайра, Такера-Мазлена, Ротта; универсальная методика численного расчета, основанная на решении уравнений неразрывности, количества движения и энергии с использованием трехпараметрической модели турбулентности и соотношения турбулентного переноса теплоты с учетом переменности транспортных и теплофизических свойств газа и турбулентного числа Прандтля по толщине пограничного слоя. По приведенным соотношениям выполнен расчет r в интервале Pr от 0,1 до 1, Rex от 105 до 109 и M до 4 и сделан вывод, что практически все представленные соотношения и методики для воздуха при Pr ≈ 0,7 дают удовлетворительное сходство значений r в рассматриваемом интервале Rex и M с экспериментальными. Однако при уменьшении Pr получаемые расчетные результаты значительно отличаются друг от друга. Так, при Pr ≈ 0,2 расхождения для методик, корректно предсказывающих r для воздуха, достигают 35 – 40 %. На основе полученных результатов, а также с учетом отсутствия экмпериментальных данных по r в открытой печати для малых Pr рекомендовано проведение экспериментальных исследований по выявлению действительных значений r при обтекании плоской непроницаемой стенки сжимаемым потоком газа для таких смесей как He-Ar, He-Kr, He-Xe, He-N2, He-CO2 для верификации рассмотренных расчетных методик.

Работа выполнена за счет гранта Российского научного фонда (проект №14-19-00699).

Список литературы
1. Леонтьев А.И. Газодинамический метод энергоразделения газовых потоков // Теплофизика высоких температур. 1997. Т. 35, № 1. С. 157-159.
2. Леонтьев А.И. Газодинамические методы температурной стратификации (обзор) // Известия РАН. Механика жидкости и газа. 2002. №4. С. 6 – 26.
3. El-Genk M.S., Tournier J-M.P. Noble-Gas Binary Mixtures for Closed-Brayton-Cycle Space Reactor Power Systems // Journal of Propulsion and Power. 2007. Vol. 23. No. 4. Pp. 863-873. DOI: 10.2514/1.27664
4. Tournier J.-M.P., El-Genk M.S. Noble gas binary mixtures for gas-cooled reactor power plants // Nuclear Engineering and Design. 2008. Vol. 238. Iss. 6. Pp. 1353 – 1372. DOI: 10.1016/j.nucengdes.2007.10.021
5. Tournier J-M.P., El-Genk M.S. Properties of noble gases and binary mixtures for closed Brayton Cycle applications // Energy Conversion and Management. 2008. Vol. 49. Iss. 3. P. 469-492. DOI: 10.1016/j.enconman.2007.06.050
6. Ahn Y., Bae S.J., Kim M., Cho S.K., Baik S., Lee J.I., Cha J.E. Review of supercritical CO2 power cycle technology and current status of research and development // Nuclear Engineering and Technology. 2015. Vol. 47. Iss. 6. Pp. 647 – 661. DOI: 10.1016/j.net.2015.06.009
7. Recompression Closed Brayton Cycle / U.S. Dep. of Energy. Sandia National Laboratories. Режим доступа:http://energy.sandia.gov/wp-content/gallery/uploads/ARPAE_Brayton_SAND20140672.pdf (дата обращения 07.11.2016).
8. Арбеков А.Н., Бурцев С.А. Исследование цикла замкнутой газотурбинной тригенерационной установки последовательной схемы // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2012. № 3. Режим доступа:http://technomag.edu.ru/doc/359008.html (дата обращения 07.11.2016).
9. Арбеков А.Н., Бурцев С.А. Исследование цикла замкнутой газотурбинной тригенерационной установки параллельной схемы // Тепловые процессы в технике. 2012. Т. 4. № 7. С. 326-331.
10. Арбеков А.Н. Выбор рабочего тела для замкнутых газотурбинных установок мощностью от 6 до 12 кВт, работающих на органическом топливе // Теплофизика высоких температур. 2014. Т. 52. № 1. С. 131-135. DOI: 10.7868/S0040364414010013
11. 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. Режим доступа:http://technomag.bmstu.ru/doc/710811.html (дата обращения 07.11.2016). DOI: 10.7463/0514.0710811
12. Бурцев С.А., Кочуров Д.С., Щеголев Н.Л. Исследование влияния состава бинарных смесей инертных газов на их теплофизические свойства // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2015. № 11. С. 217-237. Режим доступа:http://technomag.bmstu.ru/doc/822897.html (дата обращения 07.11.2016). DOI: 10.7463/1115.0822897
13. Tournier J-M.P., El-Genk M.S. Alternative working fluids to reduce size of turbomachinery for VHTR plants // Intern. Congress on Advances in Nuclear Power Plants. ICAPP’08 (Anaheim, CA, USA, June 8-12, 2008): Proceedings. Red Hook, 2008. Vol. 1. Pp. 351 – 360.
14. Арбеков А.Н., Новицкий Б.Б. Экспериментальное исследование характеристик ступени малоразмерного центробежного компрессора // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2012. № 8. С. 29. DOI: 10.7463/0812.0432308
15. Леонтьев А.И. Способ температурной стратификации газа и устройство для его осуществления (труба Леонтьева): пат. 2106581 Российская Федерация. 1998. Бюл. №7. 5 с.
16. Научные основы технологий XXI века / Под общ. ред. А.И. Леонтьева и др. М.: Энергомаш, 2000. 136 с.
17. Пиралишвили Ш.А., Поляев В.М., Сергеев М.Н. Вихревой эффект. Эксперимент, теория, технические решения. М.: Энергомаш, 2000. 414 с.
18. Леонтьев А.И., Бурцев С.А. Устройство вихревого газодинамического энергоразделения // Доклады Академии наук. 2015. Т. 464. № 6. С. 679 – 681. DOI: 10.7868/S0869565215300106
19. Щеголев Н.Л., Стерелюхин С.А. Схема и цикл замкнутой ГТУ с охлаждаемым сверхзвуковым диффузором и соплом-нагревателем // XII школа-семинар молодых ученых и специалистов под руководством акад. РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» (Москва, 25-28 мая 1999 г.): Труды. М., 1999. С. 121-124.
20. Леонтьев А.И., Лущик В.Г., Якубенко А.Е. Коэффициент восстановления в сверхзвуковом потоке газа с малым числом Прандтля // Теплофизика высоких температур. 2006. Т. 44. № 2. С. 238 – 245.
21. Здитовец А.Г., Виноградов Ю.А., Стронгин М.М., Титов А.А., Медвецкая Н.В. Экспериментальное исследование особенностей теплообмена при вдуве гелия через проницаемую поверхность в сверхзвуковой поток аргона // Тепловые процессы в технике. 2012. № 6. С. 253-260.
22. Leontiev A.I., Vinogradov Yu.A., Bednov S.M., Golikov A.N., Yermolaev I.K., Dilevskaya E.V., Strongin M.M. Effect of vortex flows at surface with hollow-type relief on heat transfer coefficients and equilibrium temperature in supersonic flow // Experimental Thermal and Fluid Science. 2002. Vol. 26. Iss. 5. Pp. 487–497. DOI: 10.1016/S0894-1777(02)00157-7
23. El-Genk M.S., Tournier J-M.P. Selection of noble gas binary mixtures for Brayton space nuclear power systems // 4th Intern. Energy Conversion Engineering Conf. and Exhibit. IECEC (San Diego, CA, June 26-29, 2006): AIAA Meeting Papers. San Diego, 2006, pp. 4168-4176. DOI: 10.2514/6.2006-4168
24. El-Genk M.S., Tournier J-M.P. On the use of noble gases and binary mixtures as reactor coolants and CBC working fluids // Energy Conversion and Management. 2008. Vol. 49. Iss. 7. Pp. 1882 – 1891. DOI: 10.1016/j.enconman.2007.08.017
25. Tournier J-M.P., El-Genk M.S. Transport properties of He-N2 binary gas mixtures for CBC space applications // Space Technology and Applications International Forum - STAIF 2008. Melville: AIP, 2008, pp. 637 – 647. DOI: 10.1063/1.2845025
26. Теория тепломассообмена / Под ред. А.И. Леонтьева. 2-е изд. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1997. 683 с.
27. Цветков Ф.Ф., Григорьев Б.А. Тепломассообмен: Учеб. пособие для вузов. 2-е изд. М.: Издательство МЭИ, 2005. 548 с.
28. Бурцев С.А., Леонтьев А.И. Исследование влияния диссипативных эффектов на температурную стратификацию в потоках газа (обзор) // Теплофизика высоких температур. 2014. Т. 52. № 2. С. 310 – 322. DOI: 10.7868/S0040364413060069
29. Леонтьев А.И., Щеголев Н.Л., Носатов В.В., Стерелюхин С.А. Новый газодинамический метод температурной стратификации газа // X Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция «Газотурбинные и комбинированные установки и двигатели». 150 лет Н.Е. Жуковского (Москва, 19-21 ноября 1996 г.): Тезисы докл. М.: ГПНТБ, 1996. С. 76-77.
30. 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. С. 1-28. DOI: 10.7463/1104.0551021
31. Бурцев С.А. Исследование путей повышения эффективности газодинамического энергоразделения // Теплофизика высоких температур. 2014. Т. 52. № 1. С. 14 – 21. DOI: 10.7868/S0040364414010062
32. Бурцев С.А., Карпенко А.П., Леонтьев А.И. Метод распределенного получения сжиженного природного газа на газораспределительных станциях // Теплофизика высоких температур, 2016. Т. 54. № 4. С. 605-608. DOI: 10.7868/S0040364416030042
33. Попович С.С. Экспериментальное исследование влияния ударных волн на эффект безмашинного энергоразделения газовых потоков // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн., 2016. № 3. С. 64-80. DOI: 10.7463/0316.0835444
34. Wimbrow W.R. Experimental investigation of temperature recovery factors on bodies of revolution at supersonic speeds // NACA Technical Note 1975. Wash., 1949. 19 p.
35. Tucker M., Maslen S.H. Turbulent boundary-layer temperature recovery factors in two-dimensional supersonic flow // NACA Technical Note 2296. Wash., 1951. 21 p.
36. Gruenewald K.H. Temperature recovery factors in the transitional and turbulent boundary layer on a 40-degree cone cylinder at Mach number 2.9 / U.S. Naval Ordnance Laboratory. White Oak (MD), 1953. 64 p.
37. Кутателадзе С.С., Леонтьев А.И. Тепломассообмен и трение в турбулентном пограничном слое. 2-еизд. М.: Энергоатомиздат, 1985. 320 с.
38. Diaz G., Campo A. Artificial neural networks to correlate in-tube turbulent forced convection of binary gas mixtures // Intern. J. of Thermal Sciences. 2009. Vol. 48. Iss. 7. Pp. 1392-1397. DOI: 10.1016/j.ijthermalsci.2008.12.001
39.Кочуров Д.С. Исследование транспортных и теплофизических свойств бинарных смесей инертных газов с использованием автоматизированной системы расчета Tetra // Молодежный научно-технический вестник. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2014. № 5. Режим доступа: http://sntbul.bmstu.ru/doc/708327.html (дата обращения 07.11.2016).

Публикации с ключевыми словами: коэффициент восстановления температуры, замкнутые газотурбинные установки, смеси газов с малым значением числа Прандтля, устройство газодинамической температурной стратификации (труба Леонтьева), транспортные и теплофизические свойства бинарных смесей газов
Публикации со словами: коэффициент восстановления температуры, замкнутые газотурбинные установки, смеси газов с малым значением числа Прандтля, устройство газодинамической температурной стратификации (труба Леонтьева), транспортные и теплофизические свойства бинарных смесей газов
Смотри также:
Поделиться:
 
ПОИСК
 
elibrary crossref neicon rusycon
 
ЮБИЛЕИ
ФОТОРЕПОРТАЖИ
 
СОБЫТИЯ
 
НОВОСТНАЯ ЛЕНТА



Авторы
Пресс-релизы
Библиотека
Конференции
Выставки
О проекте
Rambler's Top100
Телефон: +7 (915) 336-07-65 (строго: среда; пятница c 11-00 до 17-00)
  RSS
© 2003-2017 «Аэрокосмический научный журнал» Тел.: +7 (915) 336-07-65 (строго: среда; пятница c 11-00 до 17-00)