Закономерности теплообмена

В период 1964—1968 гг. отдельные исследователи изучали усталостное поведение волокнистых композитов с металлической матрицей. Технология производства композитов быстро развивалась в течение этого периода, и поведение композитов при разрушении было непостоянным и непредсказуемым. Несмотря на эти трудности, были обнаружены некоторые важные качественные закономерности сопротивления усталости, которые служат предварительной основой для более быстрого развития современного понимания усталостной прочности композитов.

В условиях термоусталостных испытаний место возникновения разрушения на рабочей длине образца определяется следующими основными факторами. Это характер распределения температур и закономерности сопротивления циклическому неизотермичеекому деформированию и разрушению при различных температурах, а также формоизменение образца в процессе теплосмен.

Основные механические закономерности сопротивления материалов малоцикловому и длительному циклическому нагружению, а также деформационно-кинетический критерий малоциклового и длительного циклического разрушения необходимы для решения соответствующих задач определения кинетики деформированных состояний в зонах концентрации и оценки долговечности на стадии образования трещины. Полученные данные о сопротивлении циклическому деформированию и разрушению использованы для расчета малоцикловой усталости циклически нагружаемых конструкций. Применительно к сварным трубам большого диаметра магистральных газо- и нефтепроводов, волнистым компенсаторам и металлорукавам на основе их испытаний разработаны и экспериментально обоснованы методы расчета малоцикловой усталости при нормальных и высоких температурах.

18. Гусенков А. П. Основные закономерности сопротивления малоцикловому деформированию в связи с эффектом температуры. — В кн.: Прочность материалов и конструкций. Киев: Наукова думка, 1975, с. 136—147.

Нестационарность нагружения (наличие перегрузок, недогрузок и других отклонений от стабильного режима) может существенно влиять на закономерности сопротивления усталости, особенно при наличии концентраторов напряжений. Простейшие случаи нестационарности, в результате которых возможно образование нераспространяющихся усталостных трещин, — это переход с высокого уровня напряжений на более низкий уровень и присутствие в режиме нагружения одиночных: циклов растяжения более высокого уровня. В обоих случаях действуют механизмы упрочнения материала у вершины трещины и образования остаточных напряжений сжатия. Эти процессы при определенной их интенсивности приводят к задержке роста трещины. При этом эффективность торможения зависит от разницы между напряжениями на высокой и низкой ступенях нагружения или от уровня перегрузки, а также от размера трещины в момент изменения режима.

Изложенные закономерности сопротивления термоциклическому нагружению относятся к однородным напряженным состояниям растяжения — сжатия или чистого сдвига. Они являются основой для определения малоцикловой несущей способности неоднородно напряженных элементов конструкций. Эта циклическая напряженность находится в упругопластическои области, являясь при стационарном внешнем нагружении нестационарной в силу процессов перераспределения деформаций и напряжений при повторном деформировании. Анализ полей деформаций в зонах наибольшей напряженности элементов, особенно в местах концентрации, связан с решением достаточно сложных краевых задач, о чем далее будут изложены некоторые данные. Применительно к задачам концентрации напряжений и деформаций представилось возможным применить решение Нейбера [23], связывающее коэффициенты концентрации напряжений Ks и деформаций КЕ в упругопластическои стадии с коэффициентом концентрации напряжений а„ в упругой стадии. Анализ ряда теоретических, в том числе вычислительных, решений и опытных данных о концентрации деформаций позволил [24] усовершенствовать указанное решение путем введения в правую часть соответствующего выражения функции F (5Н, «„, т), отражающей влияние уровня номинальных напряжений 5Н, отнесенных к пределу текучести, уровня концентрации напряжений а„ и показателя степени т диаграммы деформирования при степенном упрочнении. Зависимость Нейбера в результате введения этих влияний выражается следующим образом:

1. Возможность осуществления как жесткого, так и эластичного нагружения образца. Это требование обусловлено особенностями работы деталей, поскольку усталостное разрушение может развиваться при постоянных значениях не только амплитуды усилия, но и амплитуды деформации материала. В этом случае закономерности сопротивления усталости (например, в период развития трещин или при деформировании материала в упруго-пластической области) существенно различны и их следует изучать с учетом особенностей нагружения, имеющих также большое значение при исследовании утомляемости полимерных материалов, механические свойства которых, а следовательно, и силовой режим испытаний изменяются в процессе повторно-переменного деформирования.

2.1. ЗАКОНОМЕРНОСТИ СОПРОТИВЛЕНИЯ УСТАЛОСТИ

2.1. Закономерности сопротивления усталости жаропрочных конструкционных материалов при малоцикловом термомеханическом нагружении .......................................... 26

Наиболее полно закономерности сопротивления деформированию материалов изучены при изотермическом нагружении в условиях нормальной и повышенных темпере тур, когда отсутствует проявление температурно-временных эффектов.

Закономерности сопротивления материалов разрушению при повторном возникновении упругопластических деформаций вследствие нестационарного температурного режима следует изучать в соответствующих условиях нагружения и нагрева с изменением величин деформаций и напряжений, поскольку в реальной конструкции один и тот же термический цикл может вызвать различные деформации и напряжения в деталях из-за переменной жесткости системы. С этой целью проводят испытания на растяжение и сжатие по методу Л. Коффина с варьируемой жесткостью нагружения образца в условиях заданного температурного перепада.

Эти выражения отличаются от формул (5.63), (5.64) для случая # (0) =0наличием первого слагаемого 2/Ре2, а также коэффициентом [1 + 4д^/Ре2 (1 + 4д2,/72)1]"1 у членов рада. Однако при высоких значениях параметра Ре величина 2/Ре мала, а указанный коэффициент практически не отличается от единицы. Поэтому основные закономерности теплообмена (в том числе влияние параметра 7s), выявленные ранее для этого режима, остаются качественно неизменными и справедливы для пористой вставки любой длины.

Наука, изучающая закономерности теплообмена между телами, называется теорией теплопередачи.

Из формулы (7.36) следует, что при Ф» = 0,19 Фт^ = 1, т. а при Ф» < 0,19 закономерности теплообмена для осевого и закрученного течений совпадают.

соответствовали сериям экспериментов с содержанием примесей (по HNO3) 0,2—0,4, 0,7—1,4 и ^2%. Полученный экспериментальный материал позволяет качественно оценить влияние примесей на закономерности теплообмена. В качестве примера на рис. 4.7, б нанесены экспериментальные данные по теплоотдаче, полученные путем осреднения результатов нескольких опытов при содержании примесей, соответствующих установленным пределам для каждой серии. По характеру кривых можно сделать вывод, что увеличение количества примесей в области Р<;30 бар уменьшает теплоотдачу, а в области Р>30 повышает, экстремумы сглаживаются, и в серии экспериментов В они практически отсутствуют.

В диапазоне чисел Рейнольдса и параметров кривизны dJD3, представляющих практический интерес, в ЗПГК могут реализовываться ламинарный с макровихрями и турбулентный режимы течения. Сначала рассмотрим общие закономерности теплообмена, присущие этим режимам течения.

Последнее обстоятельство особенно важно для точного вопроизве-дения краевых условий при расчете температурных полей на тех режимах, которые имели место при эксперименте. К числу таких данных следует отнести, прежде всего, измерение температур и других параметров (расходы, скорости, давления) всех сред, омывающих исследуемый объект, установление его фактических геометрических размеров (толщин литых деталей, зазоров, площадей, контактных поверхностей), реальную конструкцию термоизоляции, систем пассивной и активной тепловой защиты (если они имеются), систем обогрева и т.д. Сами температурные измерения должны быть не только возможно более точными, но и весьма подробными, особенно в тех случаях, когда закономерности теплообмена слабо изучены. Это может позволить, во-первых, провести более детальное сопоставление результатов расчета и эксперимента, а во-вторых, уточнить условия теплообмена в наиболее недоступных местах.

В действительности в теплообменниках никогда не бывает идеального ламинарного течения. На характер течения жидкости оказывают совместное влияние гидродинамическая и тепловая стабилизация потока, изменение физических констант потока жидкости вследствие неизотермичности движения и другие факторы. Расхождения между аналитическими данными, полученными многими исследователями, и экспериментальными данными составляют иногда 100% и более (в зависимости от граничных условий и упрощающих предпосылок). Поэтому в некоторых условиях выяснить закономерности теплообмена можно только экспериментально.

Закономерности теплообмена между профилем и обтекающей его средой исследовались в ряде работ [4, 8]. Подавляющее большинство экспериментальных исследований выполнялось на плоских решетках профилей, установленных в аэродинамических трубах с различной степенью предварительной подготовки потока. Приводимые некоторыми авторами данные о средней по профилю интенсивности теплообмена в условиях натурной турбины весьма противоречивы. Например, по данным работ [5, 6], зависимости, полученные при опытах в натурной турбине, хорошо согласуются с результатами исследований, проведенных на плоских решетках, а по данным работ [7, 9], в натурной турбине из-за повышенной степени турбулентности потока интенсивность теплоотдачи в 1,4—2,0 раза выше, чем в плоской решетке профилей, продуваемых в аэродинамической трубе.

Вопрос о влиянии типа и геометрии входного устройства на закономерности теплообмена в начальном участке трубы до настоящего времени еще очень далек от своего полного разрешения. Приводимые в некоторых работах (например, [1,6—9]) рекомендации для расчета теплообмена при наиболее часто употребляемых входных устройствах (вход с острой кромкой, предвключенный участок гидродинамической стабилизации, колена под разными'углами и т. п.) противоречивы и, как правило, не обоснованы с физической точки зрения.

На основании современных представлений о механизме формирования порраничного слоя можно предполагать, что на начальном участке трубы вид входного устройства влияет на закономерности теплообмена, предопределяя изменения уровней и профилей средней (во времени) и пульсационной скоростей потока в начальном сечении трубы. Поэтому можно предполагать, что введением в соответствующие критериальные уравнения параметров, описывающих поля средних и пульсационных скоростей, удастся получить зависимость, справедливую для всех типов входных устройств.

Проведено уже достаточно много экспериментальных и теоретических исследований, посвященных изучению температурного режима стенки трубы в закризисной области. Исследования проводились в широком диапазоне параметров и при самых разнообразных условиях эксперимента: в трубах и кольцевых каналах, в вертикальных, горизонтальных, подъемных и опускных течениях, на различного рода жидкостях. Наиболее изучены закономерности теплообмена в закризисной области при восходящем течении пароводяных потоков в гладких вертикальных трубах.