ÝÊÑÏÅÐÈÌÅÍÒÀËÜÍÎÅ ÈÑÑËÅÄÎÂÀÍÈÅ ÏÓËÜÑÀÖÈÉ ÒÅÌÏÅÐÀÒÓÐ Â ÝËÅÌÅÍÒÀÕ ÒÅÏËÎÝÍÅÐÃÅÒÈ×ÅÑÊÈÕ ÓÑÒÀÍÎÂÎÊ

ISSN 1812-9498. ÂÅÑÒÍÈÊ ÀÃÒÓ. 2007. № 6 (41)
УДК 536.24;629.12
А. Ю. Арестенко
Кубанский государственный технологический университет
Краснодар
ÝÊÑÏÅÐÈÌÅÍÒÀËÜÍÎÅ ÈÑÑËÅÄÎÂÀÍÈÅ ÏÓËÜÑÀÖÈÉ ÒÅÌÏÅÐÀÒÓÐ
 ÝËÅÌÅÍÒÀÕ ÒÅÏËÎÝÍÅÐÃÅÒÈ×ÅÑÊÈÕ ÓÑÒÀÍÎÂÎÊ
Движение двухфазного теплоносителя в обогреваемых элементах теплоэнергетических
установок сопровождается случайными изменениями температуры поверхности каналов, обращенных к теплоносителю, – пульсациями температуры. Причиной возникновения пульсаций
служит как турбулентное движение жидкой фазы потока, так и попеременный контакт жидкой
и газовой составляющих потока с нагретой стенкой канала.
В экспериментальную установку подавался двухфазный поток с различными параметрами:
скорость v = 0…1 м/с, газосодержание ϕ = 0÷30 %. Введение в поток газовой фазы осуществлялось методом точечного ввода с помощью генератора пузырей, при этом достигалась независимость размера пузырей от газосодержания и скорости основного потока.
Исследования проводили на экспериментальной установке (рис. 1). В стенку рабочего
участка вставлялся нагреваемый медный стержень диаметром 9 мм и длиной 50 мм.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Рис. 1. Схема рабочего участка экспериментальной установки: 1 – стенка канала из оргстекла;
2 – текстолитовая пластина; 3 – термопара; 4 – изоляция; 5 – медный стержень;
6 – термопарный усилитель; 7 – АЦП; 8 – ЭВМ; 9 – регулирующий источник напряжения
Торец стержня установлен в рабочем участке заподлицо со стенкой канала. На торце
стержня запрессована поверхностная термопара (медь – нержавеющая сталь) [1]. Размер термочувствительной области 0,1 мм, постоянная времени τ = 10 −6 с .
После установки термопары в стержне конец стержня покрывали тонким слоем никеля для
исключения корродирования при повышенных температурах. Термопара тарировалась с высокостабильным термопарным усилителем с широкой полосой пропускания (0–1 МГц). Нагрев
стержня производили нихромовым нагревательным элементом и осуществляли таким образом,
чтобы при неподвижной жидкости не было кипения на стержне. Наличие кипения фиксировали
по возникновению чрезвычайно коротких импульсов падения температуры, соответствующих
возникновению и схлопыванию парового пузырька в пристенном слое нагретой жидкости.
В результате взаимодействия потока с нагретой стенкой (стержнем), возникающие изменения поверхностной температуры фиксировали термопарой, сигнал с которой поступал на
термопарный усилитель. После усилителя был установлен аналого-цифровой преобразователь
(АЦП), после АЦП сигнал в цифровой форме поступал на ЭВМ, где производили его запись
и дальнейшую обработку.
102
ТЕПЛОФИЗИКА, ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА
Случайная ошибка измерения мгновенной температуры определялась погрешностью тарировки термопары. Тарировка термопары производилась погружением всего образца в масляную ванну с регулируемой термопарой и интенсивным перемешиванием при повышении или понижении температуры ванны. Температура ванны измерялась лабораторным термометром кл. 0,5.
На рис. 2 представлены экспериментальные данные реализации случайного процесса
пульсаций температур нагретой стенки T(t).
T (t)
º
C
90
80
0
2
4
t, с
Рис. 2. Реализации случайного процесса пульсаций температур T(t) при скорости потока
v = 0,7 м/с и газосодержании:
ϕ=0%и
ϕ = 30 %
Сравнительный анализ данных этих экспериментов методами теории стохастических
функций позволит сделать некоторые выводы о влиянии наличия газовой составляющей потока
на изменение температуры нагретой стенки.
Основным представляется предположение, что случайный процесс T(t) пульсаций температуры является стационарным, а также периодическим (процессом с дискретным спектром)
и допускает каноническое разложение:
T (t ) = m + ∑ (U k cos(ω k t ) + Vk sin (ω k t )) ,
n
k =1
(1)
где m = M [T (t )] – математическое ожидание T(t); ω k – частота пульсаций; U k и Vk – независимые случайные величины, имеющие нулевое математическое ожидание и дисперсии σ 2k .
Тогда автокорреляционная функция
(
)
R (τ ) = M [T (τ ) ⋅ T (0)] − m 2 / D ,
(2)
где D – дисперсия случайного процесса T(t); τ – интервал времени между двумя его любыми
сечениями.
В результате преобразования Фурье автокорреляционной функции (2) получаем дискретный спектр σ 2k для T(t) как амплитудно-частотную характеристику пульсаций:
 n

R (τ ) =  ∑ σ 2k cos(ω k τ ) / D .
 k =1

(3)
Поскольку классический анализ Фурье неприменим к временным рядам, мы пришли к определению спектра, которое подходит для случайных процессов (спектр автокорреляционной
функции) (3), в данном выражении величины σ 2k /D не случайны и σ k – средняя амплитуда.
В результате статистической обработки экспериментальных данных получены гистограммы доли наблюдений фиксированной температуры при измерениях пульсаций; автокорреляционные функции; спектральные плотности автокорреляционных функций пульсаций температур.
103
ISSN 1812-9498. ÂÅÑÒÍÈÊ ÀÃÒÓ. 2007. № 6 (41)
На рис. 3 представлены спектральные плотности автокорреляционных функций пульсаций температур, т. к. исследование частотной структуры спектральной плотности дает важную
информацию об основных характеристиках исследуемой физической системы.
σ 2k
D
10
5
0
50
100
150
ωk
Рис. 3. Спектральные плотности автокорреляционных функций пульсаций температур
при скорости потока v = 0,7 м/с и газосодержании:
ϕ=0% и
ϕ = 30 %
Полученные статистические характеристики случайного процесса пульсаций температур в дальнейшем будут пригодны для определения напряжений, возникающих при пульсациях,
а также более глубокого понимания процесса пульсаций [2].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
2.
Пульсации температур поверхности нагретой стенки канала с пузырьковым потоком / А. В. Судаков,
Ю. П. Арестенко, Н. И. Васильев и др. // Тр. ЦКТИ. – СПб., 2004. – Вып. 293. – С. 127–129.
Судаков А. В., Трофимов А. С. Пульсации температур и долговечность элементов энергооборудования. – Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1989. – 176 с.
Статья поступила в редакцию 25. 09.2006
EXPERIMENTAL RESEARCH OF TEMPERATURE PULSATIONS
IN ELEMENTS OF HEAT POWER INSTALLATIONS
A. Yu. Arestenko
The experimental installation is described. The concrete data on pulsations
are cited. The primary processing of results is made.
104