Исследование возможностей повышения давления торможения в высокоскоростном потоке


Просмотр статьи
PDF, 4,7 МБ

Research of the stagnation pressure increasing possibilities in a high-speed flow

Traditionally, so-called the machine methods are used to increase the total pressure, i.e. various types of compressors are used. The compressors operation principle is based on the supply of mechanical energy to the flow.
The paper considers a method of increasing the stagnation pressure, based on the thermal effect on the flow (heat removal). The influence of various factors on the stagnation pressure increasing has been studied for the channel flow in the presence of thermal action only.
Various methods of flow cooling are considered. It is shown that evaporative cooling is the most effective methods from the point of view the stagnation pressure increasing.
An overview of the evaporative cooling use to increase the stagnation pressure is presented. On the basis of a one-dimensional model of an evaporative cooling device, the possibility of the stagnation pressure increasing by a factor of 1.25 at supersonic inlet velocities is shown.

stagnation pressure, aerothermopressor, energy separation, evaporation, compressible flow

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.23.5.1008


Том 23, выпуск 5, 2022 год



Традиционно для повышения давления торможения используют, так называемые, машинные методы, т.е. применяют различные компрессоры, принцип работы которых основан на подводе к потоку механической энергии. В работе рассмотрен способ повышения давления торможения, основанный на тепловом воздействии на поток (отвод тепла). Исследовано влияние различных факторов на степень повышения давления торможения при течении в канале при наличии только теплового воз-действия.
Рассмотрены различные методы охлаждения потока. Показано, что наиболее эффективным с точки зрения повышения давления торможения является испарительное охлаждение. Приведён обзор работ по использованию испарительного охлаждения для повышения давления торможения. На базе одномерной модели устройства испарительного охлаждения показана возможность повышения давления торможения в 1.25 раза при сверхзвуковых скоростях на входе.

давление торможения, аэротермопрессия, энергоразделение, испарение, сжимаемое течение

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.23.5.1008


Том 23, выпуск 5, 2022 год



1. Леонтьев А.И. Температурная стратификация сверхзвукового газового потока // Доклады Академии наук. — 1997. — Т. 354. — С. 475–477.
2. Хазов Д.Е. Численное исследование безмашинного энергоразделения воздушного потока // Тепловые процессы в технике. — 2018. — Т. 10, № 1-2. — С. 25–36.
3. Вулис Л.А. Термодинамика газовых потоков. — М., Л.: Госэнергоиздат, 1950. — 304 с.
4. Shapiro H. A. The dynamics and thermodynamics of compressible fluid flow. — The Ronald Press Company, 1953. — Vol. 1. — 647 p.
5. Сергель О.С. Прикладная гидрогазодинамика: Учебник для авиационных вузов. — М.: Машиностроение, 1981. — 374 с.
6. Бэр Г.Д. Техническая термодинамика. — М.: Мир, 1977. — 517 с.
7. Основы газовой динамики / Под ред. Эммонс Г. — М.: Иностранной литературы, 1963. — 698 с.
8. Seiff A. Examination of the existing data of the heat transfer of turbulent boundary layers at supersonic speeds from the point of view of Reynolds analogy. — NACA, TN-3284, 1954. — 38 p.
9. Aubrey Jr. M. Cary. Summary of available information on Reynolds analogy for zero-pressure-gradient, com-pressible, turbulent-boundary-layer flow. — NASA, TN D-5560, 1970. — 17 p.
10. Репик Е.У., Соседко Ю.П. Турбулентный пограничный слой. Методика и результаты экспериментальных исследований. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. — 312 с.
11. Dyban E.P., Epik E.J. Heat transfer in boundary layer in a turbulent air flow // Proc. 6th Int. Heat Transfer Conf. — Vol. 2. — Toronto, Canada, 1978. — P. 507–512.
12. Kestin J. The effect of free-stream turbulence on heat transfer rates // Advances in Heat Transfer. — 1966. — Vol. 3, no. 1. — P. 1–32. DOI: 10.1016/S0065-2717(08)70049-2
13. Blair M.F. Influence of free-stream turbulence on turbulent boundary layer heat transfer and mean profile development // ASME J. Heat Transfer. — 1983. — Vol. 105, no 1. — P. 33–47. DOI: DOI:10.1115/1.3245557
14. Simonich J.C., Bradshaw P. Effect of free-stream turbulence on heat transfer through a turbu-lent boundary layer // ASME J. Heat Transfer. — 1978. — Vol. 2, no. 4. — P. 671–677. DOI:10.1115/1.3450875
15. Пядишюс А., Шланчяускас А. Турбулентный перенос в пристенных течениях. — Виль-нюс: Мокслас, 1987. 283 с.
16. Адомайтис И.-Э.И., Чесна Б.А., Вилемас Ю.В. Экспериментальное исследование теп-лоотдачи и трения цилиндра, продольно обтекаемого турбулизированным потоком воздуха с переменными физическими свойствами // Тр. АН Лит. ССР. — Т. 1 (122) из Б. — 1981. — С. 51–69.
17. Михайлова Н.П., Репик Е.У., Соседко Ю.П. Исследование теплообмена и аналогии Рей-нольдса в турбулентном пограничном слое при высоком уровне турбулентности набегающего потока // Изв. РАН. МЖГ. — 2000. — № 2. — С. 61–71.
18. Kiselev N.A. et al. Heat transfer and skin-friction in a turbulent boundary layer under a non-equilibrium longitudinal adverse pressure gradient // International Journal of Heat and Fluid Flow. — 2021. — Vol. 89. — P. 108801. DOI: 10.1016/ j.ijheatfluidflow.2021.108801.
19. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. — М.: Наука, 1974. — 711 с.
20. Кутателадзе С.С., Леонтьев А.И. Тепломассообмен и трение в турбулентном пограничном слое. — М.: Энергоатомиздат, 1985. — 320 с.
21. Процессы торможения сверхзвуковых течений в каналах / О. В. Гуськов [и др.]. — М.: Физматлит, 2008. — 168 с.
22. Shapiro H. A., Howthorne R. W. The mechanics and thermodynamics of steady, one-dimensional gas flow // J. App. Mech. — 1947. — Vol. 69. — P. 317.
23. Shapiro H. A., Wadleigh K.R. Final summary report of aerothermopressor project: 2-6985. — Cambridge, Massachussets: Massachusettes Institute of Technology, 1956 — September.
24. Wadleigh K.R. An experimental investigation of a small-scale aerothermopressor — a device for increasing the stagnation pressure of high-temperature, high-velocity gas stream by evapo-rative cooling: submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctor of science. Massachusettes Institute of Technology, — 1953 — June.
25. Хазов Д.Е., Седлов А.А. Об одном случае перехода через скорость звука в канале переменного сечения // Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках: Тезисы докладов XX школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством акад. РАН А. И. Леонтьева (24–29 мая 2015 г., г. Звенигород). - М.: Издательский дом МЭИ, 2015.-328 с.). — Изд. дом МЭИ Москва, 2015. — С. 73–74.
26. Fowle A.A. An experimental investigation of an aerothermopressor having a gas flow capaci-ty of 25 pounds per second: submitted in partial fulfillment of the requirements for the de-gree of doctor of philosophy. Massachusettes Institute of Technology. — 1955. — June.
27. Erickson A.J. A theoretical and experimental investigation of the aerothermopressor process: submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctor of science. Massachusettes Institute of Technology. — 1956. — June.
28. MacKay R.T. Experimental investigation of a 2 1/8 in diameter constant-area aerothermo-pressor with supersonic inlet: submitted in partial fulfillment of the requirements for the de-gree of Master of Science in mechanical engineering. Massachusettes Institute of Technology. — 1955. — June.
29. Smith I.K. Investigation of increase of total pressure of a hot gas stream by the injection of water: A thesis submitted for the degree of Doctor of Philosophy, in the Faculty of Engineer-ing, University of London. Imperial College London, — 1961.
30. Smith I.K. The supersonic aerothermopressor // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. — 1969. — Vol. 184, no. 1. — P. 121–132. DOI: 10.1243/PIME_PROC_1969_184_014_02
31. Ерофеев В.Л. Повышение мощности и экономичности газосиловой установки речного судна путем использования термогазодинамического эффекта: Дис. ... канд тех. наук: 05.00.00. — Ленинград: Ленингр. ин-т водного транспорта, 1970. — 151 с.
32. Степанов И.Р., Чудинов В.И. Некоторые задачи движения газа и жидкости в каналах и трубопроводах энергоустановок. — Л.: Наука, 1977. — 200 с.
33. Степанов И.Р., Чудинов В.И. Термопрессор: А. С. №472209 СССР. — 1975. — Бюлл. №20. 77 с.
34. Konovalov D. et al. Experimental research of the excessive water injection effect on re-sistances in the flow part of a low-flow aerothermopressor // Advances in design, simulation and manufacturing III. Cham: Springer International Publishing, 2020. — P. 292–301. DOI:10.1007/978-3-030-50491-5_28
35. Shapiro A.H. et al. The aerothermopressor — a device for improving the performance of a gasturbine power plant // Transactions of the American Society of Mechanical Engineers. — 1956. — Vol. 78, no. 3. — P. 617–650. DOI: 10.1115/1.4013756.
36. Хазов Д.Е. К вопросу об эффекте повышения полного давления // Огнеупоры и техническая керамика. — 2006. — № 11. — С. 39–43.
37. Cao R. et al. New method for solving one-dimensional transonic reacting flows of a scramjet combustor // Journal of Propulsion and Power. — 2016. — Vol. 32, no. 6. — P. 1403–1412. DOI: 10.2514/1.B36056.
38. Bitron M.D. Atomization of liquids by supersonic air jets // Industrial & Engineering Chemis-try. — 1955. — Vol. 47, no. 1. — P. 23–28. DOI: 10.1021/ie50541a019.