Анализ и совершенствование расчета параметров свободного обтекания газом вертикальной пластины или цилиндра для использования при исследовании тепловых режимов летательного аппарата на стартовом комплексе
Опубликовано: 14.05.2025
Авторы: Бармин И.В., Романяк А.Ю., Матвеева О.П.
Опубликовано в выпуске: #5(161)/2025
Раздел: Авиационная и ракетно-космическая техника | Рубрика: Проектирование, конструкция, производство, испытания и эксплуатация летательных аппаратов
Рассмотрены особенности свободной конвекции воздуха с вертикальных поверхностей, актуальные для оценки тепловых режимов в зоне под головным обтекателем на стартовом комплексе, с целью разработки единой формулы для определения локальных чисел Нуссельта. Проведены обзор и анализ публикаций, а также систематизация экспериментальных данных по определению локальных чисел Нуссельта, оценено, как влияют условия проведения экспериментов на результаты измерений. Выбрана форма и параметры аппроксимирующей зависимости с использованием многопараметрической логистической кривой, статистических методов и критериев качества (коэффициента детерминации, средней ошибки аппроксимации). Разработана новая единая формула для описания свободной конвекции в широком диапазоне чисел Рэлея с высокой точностью, формула впервые включает описанную переходную область. Ее применение повышает достоверность применяемой валидации программных комплексов.
EDN LGSFIU
Литература
[1] Романяк А.Ю., Михайлов И.В., Матвеева О.П. Способ термостатирования зоны полезного груза в многослойном головном обтекателе космической головной части. Патент RU (11) 2 815 684 (13) C1, опубл. 20.03.2024. Бюл. № 8.
[2] Матвеева О.П., Романяк А.Ю., Удовик И.С. Анализ вариантов сокращения энергопотребления в процессах поддержания тепловых режимов космических аппаратов на стартовых комплексах. Инженерный журнал: наука и инновации, 2019, вып. 12. http://dx.doi.org/10.18698/2308-6033-2019-12-1942
[3] Matveeva O., Romanyak A., Udovik I. Improving the processes of missile preparation at launch complexes on the basis of system design of interacting elements. AIP Conference Proceedings. AIP Publishing, 2019, vol. 2195, no. 1.
[4] Matveeva O., Romanyak A., Udovik I. Investigation of the process of maintaining the thermal regime of spacecraft on launch complexes with distributed circulation of coolant. AIP Conference Proceedings. AIP Publishing, 2021, vol. 2318, no. 1.
[5] Clausing A.M., Kempka S.N. The influences of property variations on natural convection from vertical surfaces. Journal of Heat Transfer, 1981, vol. 103, рр. 609–612.
[6] Schmidt E., Beckmann W. Das Temperatur-und Geschwindigkeitsfeld vor einer Wärme abgebenden senkrechten Platte bei natürlicher Konvektion. Technische Mechanik und Thermodynamik, 1930, Bd. 1, S. 391–406.
[7] Schmidt E., Beckmann W. Das Temperatur-und Geschwindigkeitsfeld vor einer Wärme abgebenden senkrechten Platte bei natürlicher Konvektion. Technische Mechanik und Thermodynamik. 1930, Bd. 1, S. 341–349.
[8] McAdams W.H. Heat Transmission. McGraw-Hill, 1954.
[9] Bayley F.J. An analysis of turbulent free-convection heat-transfer. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, 1955, vol. 169, no. 1, pp. 361–370.
[10] King W.J. III. Free Convection. Mech. Eng., 1932, vol. 64, pp. 347–353.
[11] Saunders O.A. The effect of pressure upon natural convection in air. Proceedings of the Royal Society of London. Series A-Mathematical and Physical Sciences, 1936, vol. 157, no. 891, pp. 278–291.
[12] Weise R. Wärmeübergang durch freie Konvektion an quadratischen Platten. Forschung auf dem Gebiet des Ingenieurwesens A., 1935, Bd. 6, S. 281–292.
[13] Rohsenow W., Hartnett J., Young Cho. Handbook of heat transfer. New York, McGraw-Hill, 1998, vol. 3.
[14] Churchill S.W., Usagi R. A general expression for the correlation of rates of transfer and other phenomena. AIChE Journal, 1972, vol. 18, no. 6, pp. 1121–1128.
[15] Pirovano A., Viannay S., Jannot M. Convection naturelle en régime turbulent le long d’une plaque plane verticale. EUR 4489. [Natural Convection in Turbulent Regime along a Flat Plate. EUR 4489]. 1970.
[16] Warner C.Y., Arpaci V.S. An experimental investigation of turbulent natural convection in air at low pressure along a vertical heated flat plate. International Journal of Heat and Mass Transfer, 1968, vol. 11, no. 3, pp. 397–406.
[17] Eckert E.R.G., Jackson T.W. Analysis of turbulent free-convection boundary layer on flat plate, 1950, no. NACA-TN-2207.
[18] Ostrach S. An analysis of laminar free-convection flow and heat transfer about a flat plate paralled to the direction of the generating body force, 1953, no. NACA-TR-1111.
[19] Vliet G.C., Liu C.K. An experimental study of turbulent natural convection boundary layers. Journal of Heat Transfer, 1969, November, рр. 517–531.
[20] Berkowitz S.M. Heat transfer: Vol. 1, Max Jakob, ed. New York, John Wiley & Sons, Inc., 1949.
[21] Cengel Y.A. Heat transfer: a practical approach. 2nd edition. McGraw-Hill, 2008.
[22] Çengel Y.A., Ghajar A.J. Heat and mass transfer: fundamentals and applications. 5nd edition in SI units. McGraw-Hill, 2014.
[23] Bergman T.L. Fundamentals of heat and mass transfer. John Wiley & Sons, 2017.
[24] Churchill S.W., Chu H.H.S. Correlating equations for laminar and turbulent free convection from a vertical plate. International journal of heat and mass transfer, 1975, vol. 18, no. 11, pp. 1323–1329.
[25] 2013 ASHRAE Handbook: Fundamentals. Atlanta, Ga., ASHRAE, 2013.
[26] 2021 ASHRAE Handbook: Fundamentals. Atlanta, Ga., ASHRAE, 2021.
[27] Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. Москва, Энергия, 1977.
[28] Пчёлкин И.М. Теплоотдача вертикальных труб при естественной конвекции. Конвективный и лучистый теплообмен: сб. статей. Москва, Изд-во Акад. наук СССР, 1960, с 56–64.
[29] Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление. Справочное пособие. Москва, Энергоатомиздат, 1990.
[30] Лыков А.В. Тепломассообмен. Справочник. Изд. 2-е, перераб. и доп. Москва, Энергия, 1978.
[31] Кутателадзе С.С., Боришанский В.М. Справочник по теплопередаче. ГЭИ, 1958.
[32] John H., Lienhard I.V., Lienhard V. A heat transfer textbook. Phlogiston Press, Cambridge, 2008.
[33] Мур Д., Уэлерфорд Л. [и др.]. Экономическое моделирование в Microsoft Excel. 6-е изд.: пер. с англ. Москва, Издат. дом «Вильямс», 2004.
[34] Орлов А.И. О методах проверки однородности двух независимых выборок. Заводская лаборатория. Диагностика материалов, 2020, т. 86, № 3, с. 67–76.