Нестационарных турбулентных

Общие замечания. Нарушение сплошности и несущей способности пространственно-армированных композиционных материалов при повышенных (выше 250 °С) температурах вследствие сравнительно низкой теплостойкости матрицы ограничивает температурный диапазон их применения. Решение задачи упрочнения матрицы в целях приближения ее прочности при повышенных температурах к высокому температурному сопротивлению углеродных волокон привело к появлению углеродной (или графитовой) матрицы и композиционных материалов на ее основе. Создание нового класса высокотемпературных материалов, получивших название углерод-углеродных композиционных материалов, описано в работе [109]; там же приведена библиография по этим материалам. Первоначально созданные углерод-углеродные композиционные материалы основывались на двухнапра-вленном армировании. Они обладали лучшей прочностью в плоскостях армирования по сравнению с монолитным поликристаллическим графитом, но уступали по прочности, нормальной к плоскости армирования. Переход к пространственно-армированным материалам устраняет эту проблему [108, 114, 123]. Пространственное армирование резко повышает сопротивление этих материалов к действию нестационарных температурных напряжений и абляционную стойкость. Разработке и созданию пространственно-армированных материалов на основе углеродной матрицы уделяется большое внимание [106, 107].

Основные закономерности регулярного теплового режима были подробно исследованы Г. М. Кондратьевым [40], который определил основные связи, существующие между темпом охлаждения т, с одной стороны, и физическими свойствами тела, его формой, размерами и условиями охлаждения — с другой. Это позволило разработать методы приближенного расчета нестационарных температурных полей, методы моделирования нестационарных процессов в сложных объектах, дать оценки неравномерности температурных полей в различных условиях и т. д. На основе теории регулярного режима были предложены и получили широкое распространение на практике новые методы "определения теплофизических свойств веществ: а, К, с, термических сопротивлений R, степени черноты тел е, коэффициентов теплоотдачи а. Преимуществом таких методов является простота техники эксперимента, высокая точность получаемых результатов и малая затрата времени на проведение эксперимента.

Для аналитического определения температурного поля в стенке трубы при ее охлаждении водой необходимо решить уравнение нестационарной теплопроводности с граничными условиями третьего рода; Наиболее часто при расчетном определении нестационарных температурных полей в телах применяется решение задачи теплопроводности в виде бесконечных рядов Фурье. При .быстром изменении температуры металла и высоких тепловых потоках, как это имеет место в стенке трубы в цикле водной очистки, для получения необходимой точности решения уравнений теплопроводности приходится учитывать большое количество членов указанного ряда. Расчеты затруднены и тем, что в справочниках обычно приводится не более шести первых корней характеристического уравнения теплопроводности.

Термические напряжения в покрытии могут возникать при равномерных температурных полях из-за разности коэффициентов линейного расширения, а также при нестационарных температурных полях из-за наличия температурных градиентов.

Все рассмотренное в предыдущем разделе — принцип соответствия, определение эффективных характеристик и их граничных значений — относится к тому случаю, когда температура .постоянна во времени независимо от характера ее распределения между составными частями. Использование этих эффективных характеристик при нестационарных температурных режимах возможно для термореологически простых композиционных материалов (ТПМ), но не для термореологически сложных материалов (ТСМ).

Обращаясь теперь к термореологически сложным материалам (ТСМ), вспомним, что в разд. II, Г рассматривались два типа таких композитов, обозначенные как ТСМ-1 и ТСМ-2. К первому из них по определению относятся материалы, у которых две или несколько фаз в некоторой области изменения температур являются термореологически простыми (ТПМ), но с различными коэффициентами смещения ст. Поведение таких композитов (ТСМ-1) при различных температурах для изотермических процессов исследовалось многими авторами. Например, Халпин [40] рассмотрел композит, состоящий из двух высокоэластичных компонентов с различными температурами стеклования ( — 29 °С и — 75 °С). В работе [30] было изучено поведение двухфазных, относящихся к ТСМ-1 блок-сополимеров при различных постоянных температурах. К сожалению, мне не известны какие-либо исследования для нестационарных температурных режимов. Это особенно сложный случай, ибо здесь не применим принцип соответствия. Правда, выражение механических характеристик композита через характеристики его фаз можно, конечно, получить непосредственно численным решением соответствующих уравнений для каждой истории изменения температуры.

Если хотя бы одна фаза (или несколько фаз) материала относится к типу ТСМ-2, о котором шла речь в разд. II, Г, то принцип соответствия для нестационарных температурных режимов вообще не выполняется. Более того, сам такой композит еще сложнее с точки зрения реологии, чем ТСМ-2. Однако для важного частного случая неизотермическое поведение таких материалов можно описать при помощи изотермических характеристик их фаз. Это имеет место в том случае, когда эффективные характеристики при изотермических условиях удовлетворяют равенству (130), а модули при растяжении — равенству (133). Можно показать, что в этом случае определяющие уравнения получаются заменой интегралов в уравнениях (63) и (64) (с применением формул (130) и (133)) интегралами вида (50), (56) или (57). Результаты еще больше упрощаются, если все эффективные характеристики удовлетворяют соотношению (130); тогда, например, интегральное соотношение (142) принимает вид

6.2.2. Поведение при нестационарных температурных режимах

Термическая усталость часто проявляется в деталях поршневых дизельных двигателей, в колесах железнодорожных локомотивов, в теплообменниках, штампах, валках прокатных станов, на тормозных барабанах, в паровых котлах, в электроосветительной аппаратуре и прочих деталях и узлах, работающих в условиях нестационарных температурных режимов, главным образом при запусках и остановках. В качестве типичных деталей, испытывающих в работе переменные напряжения вследствие теплосмен, можно привести также жаровые трубы камер сгорания, сопловые лопатки и охлаждаемые рабочие лопатки реактивных авиадвигателей; сплошным неохлаждаемым рабочим лопаткам это явление менее свойственно. Трещины на сопловых лопатках возникают преимущественно на входных и выходных кромках, которые нагреваются и охлаждаются с наибольшей скоростью; на выходных кромках обычно возникает 70% трещин, на входных — около 20%, на корыте и спинке—• 10% [12].

Замер усилий и деформаций производится по разработанной ранее методике [236] с помощью датчиков сопротивления, наклеиваемых на динамометр и чувствительный элемент деформометра. Используются разработанные [35] высокотемпературные датчики (до 400° С). В связи с работой датчиков в местах с переменной электромагнитной напряженностью измерительные схемы приборов переведены на питание постоянным током, что позволяет отфильтровать частотную составляющую и исключить наводки. Работа датчиков в условиях нестационарных температурных полей потребовала для обеспечения температурной компенсации подбора датчиков с одинаковыми температурными характеристиками. На рис. 5.4.3 показана запись на приборе ЭТП-209 сигналов с несамокомпенсирующихся рабочих датчиков моста усилий в процессе выхода на установившийся температурный режим динамометра при температурных «качках» образца. Флуктуации с малым периодом отражают некомпенсацию датчиков в пределах одного цикла нагрева образца. Датчики с подобранными темпе-

Циклический характер теплового режима эксплуатации изделий, чередование переходных и стационарных этапов вызывают возникновение в элементах конструкций нестационарных температурных полей со значительными градиентами температур. Например, для лопаток соплового аппарата судовой газовой турбины при максимальных температурах нагрева до 950° С

В статье рассматриваются проблемы моделирования нестационарных турбулентных течений в неподвижных элементах гидромашин на базе модельного эксперимента, получение на стадии проектирования оптимальных геометрических форм неподвижных элементов гидромашин, обеспечивающих снижение динамических

В статье рассматриваются проблемы моделирования нестационарных турбулентных течений в неподвижных элементах гидромашин на базе модельного эксперимента, получение на стадии проектирования оптимальных геометрических форм неподвижных элементов гидромашин, обеспечивающих снижение динамических

При анализе нестационарных турбулентных потоков необходимо, как и в случае анализа процесса теплообмена, выделить две области возможных частот колебаний: низкочастотные и высокочастотные. К низкочастотным колебаниям относятся колебания, частота которых много меньше, чем основная (или низшая) частота турбулентных пульсаций.' К высокочастотным колебаниям следует отнести колебания, частота которых соизмерима или больше основной частоты турбулентных пульсаций.

В связи с полным отсутствием каких-либо данных по структуре нестационарного потока в пучках витых труб в настоящем разделе кратко остановимся на структуре нестационарных турбулентных потоков в трубах. Обзор состояния вопроса изложен в работе [26]. Из более поздних работ следует отметить монографии [5, 33], работы, в которых изучались профили скоростей и их пульсаций при ускорении и замедлении потока в трубах [2, 23, 29, 53, 54, 58], пульсации температур при изменении расхода жидкости [44], нестационарные коэффициенты гидравлического сопротивления [ 7, 30].

29. Никифоров А.Н., Фафурин А.В., Герасимов С.В. Исследование скоростной структуры нестационарных турбулентных течений.Газодинамика двигателей летательных аппаратов. Казань.' Изд. КАИ, 1982, с. 43—48.

Обычно при исследованиях патрубков турбомашин определяются усредненные по времени характеристики течения, а влияние неустановившихся процессов не учитывается [2]. Рассмотрим методы и результаты исследования нестационарных турбулентных пульсаций потока в элементах турбомашин применительно ко входным патрубкам насосов.

Модельные исследования нестационарных турбулентных пульсаций потока во входных патрубках насосов. Турбулентные течения однородной несжимаемой жидкости характеризуются случайными значениями скорости и давления в каждой точке потока. Наличие отрывных зон накладывает на общий фон турбулентного потока нестационарные турбулентные возмущения, выражающиеся в низкочастотных колебаниях потока и нестационарном поле скоростей,и давлений в мерных сечениях. В целях получения сопоставимых результатов по исследованию нестационарных турбулентных пульсаций во входных патрубках насосов примем следующие условия проведения модельного эксперимента, проверенные практикой:

3) эксперимент проводится на аэродинамическом стенде, позволяющем смоделировать физические закономерности нестационарных турбулентных пульсаций потока в патрубках, но количественно не моделирующем гидроупругого воздействия этих пульсаций на ротор насоса;

Исследуем энергетические характеристики нестационарного турбулентного потока во входном патрубке насоса, полагая, что нестационарность возникает только за счет отрыва потока от ограждающих его поверхностей. Для этого рассмотрим методы анализа нестационарных турбулентных течений по квазистационарной и спектральной моделям.

Характерные параметры нестационарных турбулентных пульсаций потока во входных патрубках насоса. При исследовании характеристик нестационарного турбулентного потока в патрубках нестационарность течения в сечении 0 — 0 достигалась изменением геометрических характеристик патрубка. В статье «Масштабы и параметры турбулентных гидроупругих колебаний потока во входных патрубках насосов» в настоящем сборнике представлен входной патрубок насоса кольцевого типа (см. рис. 1). Варьирование геометрических характеристик такого патрубка получали изменением диаметра камеры DK, входного DB и выходного DO

Для количественного описания нестационарных турбулентных пульсаций потока, характеризующих общие закономерности пульсационного течения в мерном сечении 0—0, приняты следующие параметры: