Ориентационные эффекты в задаче о конвекции в зазоре между частично нагретыми цилиндрами

Автор: Матвей Максимович Гончаров

Соавторы: А. Н. Кондрашовa, М. М. Гончаровa

Организация: Пермский государственный национальный исследовательский университет

В последние годы в России были разработаны самолеты нового поколения и осуществлены их частные и государственные запуски. В связи с этим возникли новые сложные и крайне важные инженерные задачи. Так, на самолете МС 21 используются крылья из композитного материала, имеющего хорошие прочностные характеристики и низкую плотность, но, одновременно, большую чувствительность к высоким температурам. В связи с этим повреждение, например, системы кондиционирования способно привести к перегреву или даже к полному разрушению сегмента крыла. Подобные утечки случаются и в других технических ситуациях. К примеру, пробой газопровода может повлечь существенные экономические потери, а также привести к экологическому загрязнению. Таким образом, существует необходимость своевременного обнаружения и локализации разрывов трубопроводов.

Как правило, трубопровод окружен теплоизолирующей оболочкой, поэтому при повреждении нагретая жидкость не вытекает в окружающую среду, а просто прогревает (или охлаждает) теплоизоляцию изнутри. В результате на внешней поверхности трубопровода образуется температурная неоднородность, причем ее размер и форма будут зависеть не только от характера повреждения, но и его ориентации относительно вектора ускорения свободного падения. Поэтому в зависимости от локализации повреждения вокруг трубы возникнут разные конвективные структуры, исследование которых поможет спроектировать адекватные распределенные системы мониторинга.

Так как при разрыве вытекающая жидкость часто остается под слоем тепловой изоляции, задача определения местоположения повреждения оказывается тесно сопряжена с процессом тепломассопереноса на внешней поверхности трубопровода. В качестве упрощения можно рассмотреть систему коаксиальных цилиндров с неравномерным подогревом [1, 2, 3]. Внешний цилиндр находится при температуре T₀ и играет роль холодильника. Внутренний цилиндр разделён на две области в вертикальном направлении: одна половина теплоизолирована, другая поддерживается при постоянной температуре T_i > T₀. Система находится в поле силы тяжести, причём вектор ускорения свободного падения g ортогонален оси цилиндров. Для имитации поворота внутреннего цилиндра, вектор g задаётся под некоторым углом α к вертикальной оси y.

Нами изучено влияние интенсивности нагрева и ориентации системы относительно направления вектора ускорения свободного падения g на структуру течения, распределение температуры в слое жидкости и интенсивность теплоотдачи. По результатам работы были сформированы требования к расположению и чувствительности элементов БРСКУ.