Экспериментальное исследование способов безмашинного энергоразделения однофазного сжимаемого потока


Просмотр статьи
PDF, 6,4 МБ

Experimental study of machine-free energy separation methods in a single-phase compressible gas flow

The paper provides an overview of results, mainly experimental, on the effect of energy separation in single-phase gas flows. Special attention is paid to the field of scientific research of the authors – the effect of energy separation in the compressible gas boundary layer and the creation of a device based on it for machine-free temperature separation of a gas flow. The experimental data obtained by the author's group are highlighted in detail. Among the considered methods of energy separation are the Leontiev tube and exploring the ways to increase its efficiency, energy separation in a channel with porous permeable walls, the Eckert-Weise effect in the cross flow of a compressible gas around a single and pair of side by side cylinders.

energy separation, adiabatic wall temperature, temperature recovery factor, compressible gas flow

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.25.6.1157

Андрей Геннадьевич Здитовец, Сергей Станиславович Попович, Николай Александрович Киселёв, Юрий Алексеевич Виноградов

Том 25, выпуск 6, 2024 год



Приведен обзор работ, в основном экспериментальных, посвященных эффекту энергоразделения (температурного разделения), возникающему в однофазных сжимаемых газовых потоках. Особое внимание уделено области научного исследования авторов – эффекту энергоразделения в пограничном слое сжимаемого газа и созданию на его основе устройств для безмашинного температурного разделения газового потока. Подробно освещены экспериментальные данные, полученные авторским коллективом. В числе рассматриваемых методов энергоразделения – труба Леонтьева и способы повышения ее эффективности, энергоразделение в канале с пористыми проницаемыми стенками, эффект Эккерта-Вайзе (аэродинамическое охлаждение) при поперечном обтекании сжимаемым газовым потоком одиночного и пары бок о бок стоящих цилиндров

энергоразделение, адиабатная температура стенки, коэффициент восстановления температуры, поток сжимаемого газа

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.25.6.1157

Андрей Геннадьевич Здитовец, Сергей Станиславович Попович, Николай Александрович Киселёв, Юрий Алексеевич Виноградов

Том 25, выпуск 6, 2024 год



1. Eckert E.R.G. Cross transport of energy in fluid streams // Wärme- und Stoffübertragung. 1987. № 2–3(21). С. 73–81. DOI:10.1007/BF01377562.
2. Леонтьев А.И. Газодинамические методы температурной стратификации (обзор) // Известия РАН Механика жидкости и газа. 2002. № 4. С. 6–26.
3. Леонтьев А.И., Здитовец А.Г., Виноградов Ю.А., Стронгин М.М., Киселёв Н.А., Титов А.А. Безмашинное энергоразделение газовых потоков. Москва: КУРС, 2016. 112 c. ISBN:978-5-906923-00-4.
4. Бирюк В.В., Веретенников С.В., Гурьянов А.И., Пиралишвили Ш.А. ВИХРЕВОЙ ЭФФЕКТ. Технические приложения. Москва: ООО"Научтехлитиздат", 2014. 216 c. ISBN:978-5-93728-143-2.
5. Raman G., Srinivasan K. The powered resonance tube: From Hartmann’s discovery to current active flow control applications // Progress in Aerospace Sciences. 2009. № 4–5(45). С. 97–123. DOI:10.1016/j.paerosci.2009.05.001.
6. Leontiev A.I., Zditovets A.G., Vinogradov Y.A., Strongin M.M., Kiselev N.A. Experimental investigation of the machine-free method of temperature separation of air flows based on the energy separation effect in a compressible boundary layer // Experimental Thermal and Fluid Science. 2017. (88). С. 202–219. DOI:10.1016/j.expthermflusci.2017.05.021.
7. Schlichting H. Boundary Layer TheoryMcGraw-Hill, New York, 1968. .
8. Леонтьев А.И. Температурная стратификация сверхзвукового газового потока // Доклады Академии наук. 1997. № 4(354). С. 475–477.
9. Leontiev A.I., Zditovets A.G., Kiselev N.A., Vinogradov Y.A., Strongin M.M. Experimental investigation of energy (temperature) separation of a high-velocity air flow in a cylindrical channel with a permeable wall // Experimental Thermal and Fluid Science. 2019. (105). С. 206–215. DOI:10.1016/j.expthermflusci.2019.04.002.
10. Khazov D.E., Leontiev A.I., Zditovets A.G., Kiselev N.A., Vinogradov Y.A. Energy separation in a channel with permeable wall // Energy. 2022. № xxxx(239). С. 122427. DOI:10.1016/j.energy.2021.122427.
11. Eckert E., Weise W. Messungen der Temperaturverteilung auf der Oberfläche schnell angeströmter unbeheizter Körper // Forschung auf dem Gebiete des Ingenieurwesens. 1942. № 6(13). С. 246–254. DOI:10.1007/BF02585343.
12. Ryan L.F. Experiments on Aerodynamic CoolingSwiss Federal Institute of Technology, 1951. .
13. Aleksyuk A.I. The Eckert–Weise effect and energy separation under the flow interference behind side-by-side cylinders // Journal of Fluid Mechanics. 2021. (915). С. A95. DOI:10.1017/jfm.2021.128.
14. Aleksyuk A.I. Regions of Reduced Total Enthalpy in the Near Wake of a Body in a Viscous Gas Flow // Fluid Dynamics. 2022. № 1(57). С. 66–76. DOI:10.1134/S0015462822010013.
15. Vinogradov Y.A., Zditovets A.G., Kiselev N.A., Popovich S.S. Experimental Study of Energy Separation in Compressible Air Cross Flow Over a Pair of Side-by-Side Circular Cylinders // Fluid Dynamics. 2023. № 2(58). С. 252–262. DOI:10.1134/S0015462822602017.
16. Zditovets A.G., Kiselev N.A., Popovich S.S., Vinogradov Y.A. Experimental investigation of the Eckert-Weise effect (aerodynamic cooling) of pair side-by-side circular cylinders in a compressible cross-flow // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2024. № July(233). С. 126061. DOI:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2024.126061.
17. Leontiev A.I., Lushchik V.G., Makarova M.S., Popovich S.S. Temperature Recovery Factor in a Compressible Turbulent Boundary Layer // High Temperature. 2022. № 3(60). С. 409–431. DOI:10.1134/S0018151X22030117.
18. Shirokow M. The influence of the laminar boundary upon heat transfer at hight velocities // Technical Physics of the USSR. 1936. № 12(3). С. 1020.
19. Боровой В.Я. Течение газа и теплообмен в зонах взаимодействия ударных волн с пограничным слоем. Москва: Машиностроение, 1983. 144 c.
20. Johnson H.., Rubesin M.W. Aerodynamic heating and convective heat transfer - Summary of literature survey // Transaction ASME. 1949. № 5(71). С. 447–456.
21. Макаров М.С. Газодинамическая температурная стратификация в сверхзвуковых потоках. Дисс. канд. физ.-мат. наук. ИТ СО РАН. Новосибирск: , 2007. 154 c.
22. Макарова М.С. Численное исследование тепловых и динамических процессов в элементах устройств энергоразделения газов. Дисс. канд. техн. наук. Москва. ОИВТ РАН: , 2014. 114 c.
23. Виноградов Ю.А., Ермолаев И.К., Здитовец А.Г., Леонтьев А.И. Измерение равновесной температуры стенки сверхзвукового сопла при течении смеси газов с низким значением числа Прандтля // Российской академии наук. Энергетика. 2005. № 4. С. 128–133.
24. Попович С.С. Аэродинамическое охлаждение стенки при течении сверхзвукового потока в следе за обратным уступом // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2019. № 1(20). С. 1–11.
25. Leontiev A., Popovich S., Strongin M., Vinogradov Y. Adiabatic wall temperature and heat transfer coefficient influenced by separated supersonic flow // EPJ Web of Conferences. 2017. (159). С. 00030. DOI:10.1051/epjconf/201715900030.
26. Вигдорович И.И., Леонтьев А.И. К теории энергоразделения потока сжимаемого газа // Известия РАН Механика жидкости и газа. 2010. № 3. С. 103–109.
27. Azanov G.M., Osiptsov A.N. The efficiency of one method of machineless gasdynamic temperature stratification in a gas flow // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2017. (106). С. 1125–1133. DOI:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.10.090.
28. Попович С.С. Экспериментальное исследование влияния падающего скачка уплотнения на адиабатную температуру стенки в сверхзвуковом потоке сжимаемого газа // Тепловые процессы в технике. 2014. № 3(6). С. 98–104.
29. Popovich S. Experimental Research of Machineless Energy Separation Effect Influenced by Shock Waves // Science and Education of the Bauman MSTU. 2016. № 03(16). DOI:10.7463/0316.0835444.
30. Vinogradov Y.A., Zditovets A.G., Leontiev A.I., Popovich S.S., Strongin M.M. Experimental research of shock wave processes influence on machineless gas flow energy separation effect // Journal of Physics: Conference Series. 2017. № 1(891). DOI:10.1088/1742-6596/891/1/012080.
31. Leontiev A.I., Lushchik V.G., Yakubenko A.E. A heat-insulated permeable wall with suction in a compressible gas flow // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2009. № 17–18(52). С. 4001–4007. DOI:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2008.10.029.
32. Leontiev A.I., Zditovets A.G., Kiselev N.A., Vinogradov Y.A., Strongin M.M. Experimental investigation of energy (temperature) separation of a high-velocity air flow in a cylindrical channel with a permeable wall // Experimental Thermal and Fluid Science. 2019. № December 2018(105). С. 206–215. DOI:10.1016/j.expthermflusci.2019.04.002.
33. Thomann H. Measurements of the recovery temperature in the wake of a cylinder and of a wedge at Mach numbers between 0.5 and 3.1959. Tech. Rep.84 c.
34. Popovich S.S., Kiselev N.A., Zditovets A.G., Vinogradov Y.A. Experimental study of the adiabatic wall temperature of a cylinder in a supersonic cross flow // Journal of Physics: Conference Series. 2021. № 1(2039). С. 012029. DOI:10.1088/1742-6596/2039/1/012029.
35. Kurosaka M., Gertz J.B., Graham J.E., Goodman J.R., Sundaram P., Riner W.C., Kuroda H., W.L. H. Energy separation in vortex street // Journal of Fluid Mechanics. 1987. (178). С. 1–29.
36. Kulkarni K.S., Goldstein R.J. Energy separation in the wake of a cylinder: Effect of Reynolds number and acoustic resonance // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2009. № 17–18(52). С. 3994–4000. DOI:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2009.03.024.
37. Ackerman J.R., Gostelow J.P., Rona A., Carscallen W.E. Energy separation and base pressure in the wake of a circular cylinder // 32nd AIAA Fluid Dynamics Conference and Exhibit. 2002. № June. С. 1–10. DOI:10.2514/6.2002-3302.
38. Ng W.F., Chakroun W.M., Kurosaka M. Time-resolved measurements of total temperature and pressure in the vortex street behind a cylinder // Physics of Fluids A: Fluid Dynamics. 1990. № 6(2). С. 971–978. DOI:10.1063/1.857604.
39. Han B., Goldstein R.J. Instantaneous energy separation in a free jet. Part I. Flow measurement and visualization // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2003. № 21(46). С. 3975–3981. DOI:10.1016/S0017-9310(03)00245-X.
40. Goldstein R.J., Kulkarni K.S. Energy Separation in the Wake of a Cylinder // Journal of Heat Transfer. 2008. № 6(130). С. 1–9. DOI:10.1115/1.2891222.
41. Aleksyuk A.I. Body Shape Optimisation for Enhanced Aerodynamic Cooling // Fluid Dynamics. 2024. С. 1–11. DOI:10.1134/S0015462823602437.
42. Zdravkovich M.M. The effects of interference between circular cylinders in cross flow // Journal of Fluids and Structures. 1987. № 2(1). С. 239–261. DOI:10.1016/S0889-9746(87)90355-0.
43. Виноградов Ю.А., Здитовец А.Г., Киселев Н.А., Попович С.С. Экспериментальное исследование энергоразделения при поперечном обтекании пары круговых цилиндров сжимаемым потоком воздуха © 2023 // Известия РАН Механика жидкости и газа. 2023. С. 102–112. DOI:10.31857/S0568528122600904.