Другие журналы

научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана

НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Издатель ФГБОУ ВПО "МГТУ им. Н.Э. Баумана". Эл № ФС 77 - 48211.  ISSN 1994-0408

Исследование влияния доли гелия на значение критерия Прандтля газовых смесей

# 05, май 2014
DOI: 10.7463/0514.0710811
Файл статьи: Burtsev_S.pdf (900.85Кб)
авторы: Бурцев С. А., Кочуров Д. С., Щеголев Н. Л.

УДК 533.2

Россия, МГТУ им. Баумана"


Проведено исследование влияния доли гелия (легких газов) на значение критерия Прандтля для бинарных и более сложных газовых смесей.
Показано, что низкое значение критерия Прандтля (числа Pr) приводит к снижению значения коэффициента восстановления температуры и, соответственно, к снижению значения температуры восстановления на стенке (температуры теплоизолированной стенки) при обтекании ее потоком сжимаемого газа. Это в свою очередь позволяет повысить эффективность газодинамического энергоразделения в трубе Леонтьева.
Выполнено численное исследование влияния состава бинарных и более сложных смесей газов на значение критерия Прандтля и показано, что при смешивании двух газов с малой и большой молекулярной массой можно получить смесь с более низким значением критерия Прандтля, чем у исходных газов. При этом значение критерия Прандтля снижается в 1,5-3,2 раза по сравнению со значениями для чистых компонентов (чем больше разница молярных масс компонентов, тем сильнее снижение).
Отработана методика определения значения критерия Прандтля для смесей газов в широком диапазоне температур и давлений, выполнена ее верификация по экспериментальным данным и результатам численных расчетов других авторов и показано, что она позволяет корректно рассчитывать теплофизические свойства бинарных и более сложных смесей газов.
Для смесей инертных газов получено, что минимальное значение критерия Прандтля для гелий-ксеноновых смесей (He-Xe) составляет 0,2-0,22, для гелий-криптоновых смесей (He-Kr) – 0,3, для гелий-аргоновых смесей (He-Ar) – 0,41.
Для смеси гелия с углекислым газом минимальное значение критерия Прандтля составляет около 0,4,  для смеси гелия с азотом N2 минимальное значение критерия Прандтля равно 0,48, для смеси гелий-метан (CH4) – 0,55 и гелий – кислород (O2) – 0,46.
Данное снижение связано с тем, что теплоемкость смеси меняется по линейному закону относительно массовой концентрации компонентов, а вязкость и теплопроводность – по более сложным законам. Это рассогласование и приводит к образованию локального минимума для значения критерия Прандтля.

Список литературы
1. Eckert E., Drewitz O. Die Berechnung des Temperaturfeldes in der laminaren Grenzschicht schnell angeströmter, unbeheizter Körper // Luftfahrt-Forschung. 1942. Bd.19. S.189-196. (in German)
2. Кутателадзе С.С., Леонтьев А.И. Тепломассообмен и трение в турбулентном пограничном слое. М.: Энергоатомиздат. 1985. 320 с.
3. Петухов Б.С. Теплообмен в движущейся однофазной среде. Ламинарный пограничный слой: монография / под ред. А.Ф. Полякова. М.: Изд-во МЭИ, 1993. 350 c.
4. Бурцев С.А., Леонтьев А.И. Исследование влияния диссипативных эффектов на температурную стратификацию в потоках газа (обзор) // Теплофизика высоких температур . 2014. Т. 52, № 2. С. 310-322. DOI: 10.7868/S0040364413060069
5. Леонтьев А.И. Способ температурной стратификации газа и устройство для его осуществления (Труба Леонтьева): пат. № 2106581 РФ. 1998. Бюл. № 7. 5 с.
6. Леонтьев А.И. Газодинамический метод энергоразделения газовых потоков // Теплофизика высоких температур. 1997. Т. 35, № 1. С. 157-159.
7. Леонтьев А.И. Температурная стратификация сверхзвукового газового потока // Доклады Академии Наук. 1997. Т. 354, № 4. С. 475-477.
8. Бурцев С.А. Исследование температурной стратификации газа // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 1998. № 2. С. 65-72.
9. Бурцев С.А. Оптимизация геометрии сверхзвукового канала в устройстве для энергоразделения // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 1999. № 2. С. 48-54.
10. Научные основы технологий XXI века / под ред. А.И. Леонтьева, Н.Н. Пилюгина, Ю.В. Полежаева, В.М. Поляева. М.: УНПЦ «Энергомаш», 2000. 135 с.
11. Бурцев С.А., Леонтьев А.И. Температурная стратификация в сверхзвуковом потоке газа // Известия РАН. Энергетика. 2000. № 5. С. 101-113.
12. Бурцев С.А. Исследование температурного разделения в потоках сжимаемого газа: дис. ... канд. техн. наук. М., МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. 124 с.
13. Леонтьев А.И., Бурцев С.А., Визель Я.М., Чижиков Ю.В. Экспериментальное исследование газодинамической температурной стратификации природного газа // Газовая промышленность. 2002. № 11. С. 72-75.
14. Бурцев С.А. Исследование устройства температурной стратификации при работе на природном газе // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2004. № 9. Режим доступа: http://technomag.bmstu.ru/doc/516097.html (дата обращения 01.04.2014). DOI: 10.7463/0904.0516097
15. Бурцев С.А. Исследование работы устройства температурной стратификации на воде и природном газе // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2005. № 5. Режим доступа: http://technomag.bmstu.ru/doc/529473.html  (дата обращения 01.04.2014). DOI: 10.7463/0505.0529473
16. Леонтьев А.И., Лущик В.Г., Якубенко А.Е. Коэффициент восстановления в сверхзвуковом потоке газа с малым числом Прандтля // Теплофизика высоких температур. 2006. Т. 44, № 2. С. 238-245.
17. Леонтьев А.И., Лущик В.Г., Макарова М.С. Температурная стратификация при отсосе пограничного слоя из сверхзвукового потока // Теплофизика высоких температур. 2012. Т. 50, № 6. С. 793-798.
18. Волчков Э.П., Макаров М.С. Газодинамическая температурная стратификация в сверхзвуковом потоке // Известия РАН. Энергетика. 2006. № 2. С. 19-31.
19. Ковальногов Н.Н., Федоров Р.В. Численный анализ коэффициентов восстановления и теплоотдачи в высокоскоростном потоке // Известия вузов. Авиационная техника. 2007. № 3. С. 54-58.
20. Ковальногов Н.Н., Магазинник Л.М. Численный анализ коэффициентов восстановления температуры и теплоотдачи в турбулентном дисперсном потоке // Известия вузов. Авиационная техника. 2008. № 2. С. 32-36.
21. Фокеева, Е.В., Ковальногов Н.Н. Повышение эффективности газодинамической температурной стратификации в дисперсном потоке // Тепловые процессы в технике. 2010. № 8. С. 338-341.
22. Бурцев С.А. Анализ влияния различных факторов на значение коэффициента восстановления температуры на поверхности тел при обтекании потоком воздуха. Обзор // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2004. № 11. Режим доступа: http://technomag.bmstu.ru/doc/551021.html  (дата обращения 01.04.2014).  DOI: 10.7463/1104.0551021
23. Tijani M.E.H., Zeegers J.C.H., de Waele A.T.A.M. Prandtl number and thermoacoustic refrigerators // The Journal of the Acoustical Society of America. 2002. Vol. 112, no. 1. P. 134-143.
24. Campo A., Papari M.M., Abu-Nada E. Estimation of the minimum Prandtl number for binary gas mixtures formed with light helium and certain heavier gases: Application to thermoacoustic refrigerators // Applied Thermal Engineering. 2011. Vol. 31, no. 16. P. 3142-3146. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2011.05.002
25. Jun Liu, Guenter Ahlers. Rayleigh-Benard convection in binary-gas mixtures: Thermophysical properties and the onset of convection // Physical Review E. 1997. Vol. 55, no. 6. P. 6950-6968.
26. Taylor M.F., Bauer K.E., McEligot D.M. Internal forced convection to low-Prandtl-number gas mixtures // Int. J. Heat Mass Transfer. 1988. Vol. 31, iss. 1. P. 13-25. DOI: 10.1016/0017-9310(88)90218-9
27. Pickett P.E., Taylor M.F., McEligot D.M. Heated turbulent flow of helium-argon mixtures in tubes // Int. J. Heat Mass Transfer. 1979. Vol. 22, iss. 5. P. 705-719. DOI: 10.1016/0017-9310(79)90118-2
28. Кочуров Д.С. Исследование транспортных и теплофизических свойств бинарных смесей инертных газов с использованием автоматизированной системы расчета Tetra // Молодежный научно-технический вестник. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2014. № 2. Режим доступа: http://sntbul.bmstu.ru/doc/708327.html (дата обращения 08.05.2014).
29. Moulay El Hassan Tijani. Loudspeaker-driven thermo-acoustic refrigeration: PhD thesis. Technische Universiteit Eindhoven, 2001. 170 p.
30. Tournier J.-M.P., El-Genk M.S. Properties of noble gases and binary mixtures for closed Brayton Cycle applications // Energy Conversion and Management. 2008. Vol. 49, iss. 3. P. 469-492. DOI: 10.1016/j.enconman.2007.06.050
31. El-Genk M.S., Tournier J.-M.P. Noble-Gas Binary Mixtures for Closed-Brayton-Cycle Space Reactor Power Systems // Journal of Propulsion and Power. 2007. Vol. 23, no. 4. P. 863-873. DOI: 10.2514/1.27664
32. Diaz G., Campo A. Artificial neural networks to correlate in-tube turbulent forced convection of binary gas mixtures // International Journal of Thermal Sciences. 2009. Vol. 48, iss. 7. P. 1392-1397. DOI: 10.1016/j.ijthermalsci.2008.12.001
33. Ibrahim A.H., Emam M., Hosny Omar, Karim Addas, Ehab Abdel-Rahman. Performance Evaluation of Thermoacoustic Engine Using Different Gases // Proc. of the 19th International Congress on Sound and Vibration (Vilnius, Lithuania, 8-12 July 2012). 2012. P. 2609-2615.
34. Merkli P., Thomann H. Thermoacoustic effects in a resonance tube // Journal of Fluid Mechanics. 1975. Vol. 70, no. 1. P. 161-177.
35. Belcher J.R. A study of element interactions in thermoacoustic engines. Final report for contract N00014-03-I-0077. PARGUM report 96-01. 1996. 210 p.
36. Rubesin M.W., Pappas C.C. An analysis of the turbulent boundary-layer characteristics on a flat plate with distributed light-gas injection. Technical note 4149. National Advisory Committee for Aeronautics, 1958. 44 p.
37. Hanbing Ke, Yaling He, Yingwen Liu, Fuqing Cui. Mixture working gases in thermoacoustic engines for different applications // International Journal of Thermophysics. 2012. Vol. 33, iss. 7. P. 1143-1163.
38. Киров В.С., Кожелупенко Ю.Д., Тетельбаум С.Д. К вопросу об определении коэффициента теплообмена смесей газов с гелием и водородом // Инженерно-физический журнал. 1974. Т. 26, № 2. С. 226-228.





Тематические рубрики:
Поделиться:
 
ПОИСК
 
elibrary crossref ulrichsweb neicon rusycon
 
ЮБИЛЕИ
ФОТОРЕПОРТАЖИ
 
СОБЫТИЯ
 
НОВОСТНАЯ ЛЕНТА
18.12.2017
С 21 по 24 ноября 2017г. в МГТУ им. Н.Э. Баумана прошла XII Всероссийская инновационная молодежная научно-инженерная выставка «Политехника», посвященная 170-летию со дня рождения Н.Е. Жуковского в рамках Всероссийского инновационного молодежного научно-инженерного форума «Политехника».

11.10.2017
XII Всероссийская инновационная молодежная научно-инженерная выставка «ПОЛИТЕХНИКА», посвященная 170-летию со дня рождения Н.Е. Жуковского 21–24 ноября 2017 года г. Москва

25.05.2017
C 15 по 17 мая 2017г. в МГТУ им. Н.Э. Баумана прошел III этап (Всероссийский) Всероссийской студенческой олимпиады по физике (в технических вузах).

25.04.2017
С 12 по 14 апреля в МГТУ им. Н.Э. Баумана прошел Всероссийский этап Всероссийской олимпиады по безопасности жизнедеятельности.

4.04.2017
С 14 по 16 марта 2017г. в МГТУ им. Н.Э. Баумана прошел III (Всероссийский) тур Всероссийской студенческой олимпиады по иностранному языку (английский в технических вузах).




Авторы
Пресс-релизы
Библиотека
Конференции
Выставки
О проекте
Rambler's Top100
Телефон: +7 (915) 336-07-65 (строго: среда; пятница c 11-00 до 17-00)
  RSS
© 2003-2018 «Наука и образование»
Перепечатка материалов журнала без согласования с редакцией запрещена
 Тел.: +7 (915) 336-07-65 (строго: среда; пятница c 11-00 до 17-00)