CC BY
40
Для исходных данных, использовавшихся в эксперименте, найдем в матричном виде вектор рассчитанных по модели температур:
TM = X ■ B.
Данные экспериментальных замеров и расчетные значения температур, полученные в результате моделирования, имеют хорошую сходимость. Математическое ожидание и среднеквадратическое отклонение разности расчетных температур и результатов эксперимента
mx = 0.09931 , = 0.134.
Список литературы
1. Стреляев С.И. Моделирование тепловых образов фоноцелевой обстановки // Известия ТулГУ. Сер. Проблемы специального машиностроения. 1999. Вып. 2. С. 95-98.
2. Кочетыгов А.А. Методы идентификации: учеб. пособие. Тула: ТулГУ, 2001. 220 с.
A. V. Dobryakov, S.I. Strelyaev,
IDENTIFICATION OF THE TEMPERATURE PICTURE OF THE SELF-PROPELLED GUN WHEN FIRING ON BATTERY BY PROJECTILES WITH INFRARED TARGET SEEKER.
Application of the least-squares method to obtain dependences identifying the temperature picture of the self-propelled gun when firing on battery by projectiles with infrared target seeker is substantiated. The computer experiment to determine the temperatures of the roof of the tower of this gun, the results of which are processed by means of the above-stated method is carried out.
Key words: temperature picture, computer experiment, least-squares method, infrared target seeker.
Получено 17.10.12
УДК 536.24
В.В. Ветров, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-18-79 vetrov@tsu. tula. ru (Россия, Тула,ТулГУ),
А.А. Воробьев, науч. сотр., andrey [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)
ИССЛЕДОВАНИЕ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛОМАССООБМЕНА ВО ВРАЩАЮЩИХСЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ОБЪЕМАХ ПРИ ВНЕШНЕМ НАГРЕВЕ
Исследуется влияние вращения и внешнего (аэродинамического) нагрева на тепловое состояние элементов конструкции летательного аппарата. При обработке экспериментальных данных получена новая зависимость для коэффициента конвекции от скорости осевого вращения замкнутых осесимметричных объемов цилиндрической формы.
Ключевые слова: конвективный теплообмен, экспериментальное исследование, газовая прослойка, осевое вращение, внешний нагрев, компьютерное моделирование.
При создании высокоскоростных летательных аппаратов (ЛА) всегда необходимо определять уровень нагрева элементов конструкции. От температурного состояния элементов конструкции, критичных к воздействию повышенной температуры, зависит надежность, работоспособность и точность наведения ЛА на цель. Наибольшее тепловое воздействие испытывают оптоэлектронные приборы носового отсека, что связано с интенсивным аэродинамическим нагревом при высоких скоростных режимах полета.
Проведенные исследования показали, что при наличии градиента температуры между внутренними элементами конструкции, обусловленного аэродинамическим нагревом, и центробежного поля массовых сил, вызванного вращением ЛА, происходит интенсификация конвективного теп-лопереноса через газовые прослойки от внешних нагретых элементов конструкции (носового обтекателя) к внутренним (бортовым приборам).
Для количественной оценки интенсификации конвективного тепло-переноса применяется коэффициент конвекции ек. В литературе известна зависимость ек от скорости осевого синхронного вращения замкнутых осе-симметричных объемов сферической формы [1]:
( * р.22б £к = 0.228 -\Яавр | ,
(1)
п * / 2 \0 14АТ
Яа*р = + ® гср )(5-,
уагвн
в
где Яа*р - модифицированное число Релея; g - ускорение свободного падения, ш - угловая скорость; гср - средний радиус прослойки; в - коэффициент объемного расширения среды; I - радиальная толщина прослойки; АТ - радиальный перепад температур; V - коэффициент кинематической вязкости; а - коэффициент температуропроводности среды; гвн - внутренний радиус сферы.
Однако в современных ЛА имеется большое количество прослоек цилиндрической формы. В связи с этим необходимо исследовать конвективный теплоперенос в указанных прослойках при нестационарном внешнем нагреве и вращении. С этой целью разработана экспериментальная установка [2] для физического моделирования конвективного теплопереноса через воздушные осесимметричные прослойки в условиях их осевого вра-
щения и имитации внешнего нагрева. Схема эксперимента и критериальная обработка его результатов представлены на рис. 1-3.
Эксперимент заключается в следующем (рис. 1). Имитатор бортового прибора, заполненный воздухом, подвергается внешнему нагреву и при этом вращается относительно продольной оси. Внутри имитатора на его продольной оси располагается тепломер, который суммирует тепловые потоки, идущие от нагретой оболочки, и определяет среднюю температуру слоев воздуха, расположенных около оси вращения.
Как видно из рис. 2, при увеличении скорости вращения темп роста температуры тепломера возрастает, что свидетельствует об интенсификации теплопереноса к внутренним слоям воздуха замкнутой области при внешнем нагреве. С теоретической точки зрения данный эффект объясняется следующим образом. При внешнем нагреве в прослойке образуется радиальный перепад температур, что приводит к изменению плотности воздушной среды прослойки по радиусу, причем в слоях, прилегающих к тепломеру, плотность увеличивается относительно начальной, а в слоях, прилегающих к наружной нагретой стенке, уменьшается. Данное изменение плотности по радиусу приводит к возникновению избыточной массовой силы, под действием которой более холодные слои воздуха перемещаются от внутренней к нагретой наружной стенке, а теплые - к холодной внутренней стенке, то есть возникает естественная конвекция в поле центробежных массовых сил.
Оболочка Тепломер
----
я! I ! 1 I I
Рис. 1. Схема эксперимента по исследованию конвективного теплопереноса во вращающихся прослойках при внешнем нагреве
т, с
80
70
60
50
40
30
20
.У / _ / X ✓
у' У - у , ' у У У У У
/ У у' у ' / У У у У
' '' X / / ' V / У *
у
0 30 60 90 120 150 180 210 240 f>с -0.5 об/с --5 об/с -- 10 об/с -—20 об/с
Рис. 2. Результаты физического моделирования конвективного теплопереноса в конструкции теплового блока при внешнем нагреве
При обработке экспериментальных данных (рис. 3) получена новая зависимость для ек от скорости осевого вращения замкнутых осесиммет-ричных объемов цилиндрической формы:
/ * р.3
ек = 0.07 \Raep) , (2)
вр ~ \g 1 ™ ' ср
* / 2 \о 13ДТ Ra *р = g + ® гср Р
уа
Зависимость (2) хорошо аппроксимирует экспериментальные данные для диапазона чисел Релея от 106 до 109.
107
Рис. 3. Критериальная обработка экспериментальных данных
На базе зависимостей (1) - (2) может быть создана инженерная методика для предварительной оценки интенсивности конвективного тепло-переноса в условиях внешнего нагрева и осевого вращения через замкнутые газовые прослойки.
Однако в современных высокоскоростных ЛА применяется большое количество узлов, критичных к воздействию повышенной температуры (чувствительные элементы фотоприемника головки самонаведения, электронные блоки и т.п.). Максимальная допустимая температура функционирования данных узлов лежит в диапазоне 60.. .100 °С, а температура корпуса ЛА достигает 1000 °С и более , причем время воздействия аэродинамического нагрева исчисляется десятками секунд. Поэтому необходимо с высокой точностью определять температуру элементов конструкции, входящих в состав исследуемых узлов. Это требует постановки рассматриваемой задачи в уточненном виде и решения ее методами математического моделирования.
В связи с вышесказанным разработан инструментарий для численного моделирования конвективного теплопереноса во вращающихся замкнутых объемах при их нестационарном внешнем нагреве.
На рис. 4 представлены результаты трехмерного компьютерного моделирования конвективного теплопереноса в конструкции теплового блока экспериментальной установки [2] при нестационарном внешнем нагреве и частота вращения 10 об/с. Как видно из рис. 4, в тепловом блоке образуются трехмерные конвективные потоки, направленные от внешней нагретой оболочки во внутрь конструкции к тепломеру. За счет данных потоков происходит интенсификация теплопереноса и, как следствие, рост температуры тепломера (рис. 5). Расчет данной задачи в двухмерной постановке показал, что, несмотря на возникновение конвективных потоков, идущих во внутрь конструкции, их интенсивность ниже, чем в трехмерном случае. Так, из рис. 5 видно, что только на начальном участке нагрева (30.90 с) наблюдается незначительное расхождение (менее 5 %) температурных кривых, полученных в ходе трехмерного компьютерного моделирования и эксперимента. В то же время расхождение температурных кривых, полученных в ходе двухмерного компьютерного моделирования и эксперимента, составляет более 20 %. Следовательно, применять двухмерные модели для исследования теплового состояния элементов конструкции современных высокоскоростных вращающихся ЛА нельзя.
Таким образом, совокупность теоретических и экспериментальных данных, а также данных численного моделирования позволяет сделать вывод о том, что в условиях осевого вращения происходит существенная интенсификация конвективного переноса тепла к внутренним элементам конструкции при внешнем нагреве.
__
-ттш —щ-53.75 С
I ^^-20.5
а
Рис. 4. Компьютерное моделирование конвективного теплопереноса
в конструкции теплового блока при внешнем нагреве
т, с
70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20
0 30 60 90 120 150 180 210 240 с ----экперимент —3-мерное моделирование---2-мерное моделирование
Рис. 5. Сравнение результатов компьютерного моделирования с экспериментальными данными при w = 10 об/с
Сравнение результатов, полученных в ходе численного трехмерного моделирования в конструкции теплового блока, с экспериментальными данными подтверждает адекватность используемых математических моделей разработанного инструментария.
*
у? ✓ ✓
✓ ✓
✓ ✓
У У
✓ ✓
у /
- • -'
Список литературы
1. Ветров В.В. Интенсификация теплопереноса через воздушные прослойки в условиях осевого вращения и внешнего нагрева// Тез. док. Четвертой МТФШ. Тамбов: ТГТУ, 2001. С. 27-31.
2. Ветров В.В., Стреляев С.И., Воробьев А.А.. Модернизация экспериментальной установки для исследования конвективного теплопереноса во вращающихся прослойках // Известия ТулГУ. Технические науки. 2011. Вып.2. С.54-57.
V. V. Vetrov, A.A. Vorobyev
RESEARCH OF INTENSIFICATION HEATMASS EXCHANGE IN ROTATING CYLINDRICAL VOLUMES AT EXTERNAL HEATING
This paper investigates influence of rotation and external (aerodynamic) heating on a thermal condition of elements of the airframe. At processing experimental data new dependence for coefficient of convection from speed of axial rotation closed volumes of the cylindrical form is received.
Key words: convective heat exchange, experimental research, a gas interlayer, axial rotation, external heating, computer simulation.
Получено 17.10.12
УДК 623.52
С.И. Стреляев, д-р техн. наук, проф.,(4872) 35-18-79, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)
ПОЛУНАТУРНАЯ ТЕПЛОВАЯ МОДЕЛЬ ТАНКА
Представлен подход к решению задачи воспроизведения в лабораторных условиях теплового образа объекта бронетанковой техники.
Ключевые слова: моделирование, танк, инфракрасная головка самонаведения.
С математической точки зрения процесс обнаружения и наведения на цель, реализуемый системой управления (СУ) самонаводящегося бое-припаса, представляет собой поиск в ограниченном функциональном пространстве математических образов, обладающих априорно известной структурой и параметрами. Физически данная процедура реализуется в оп-тикоэлектронной системе управления (ОЭСУ) как пространственно-временной анализ распределения спектральной плотности энергии, отражаемой и излучаемой целью и воспринимаемой головкой самонаведения (ГСН). Такой анализ для перспективных изделий должен обеспечивать реализацию нескольких этапов: обнаружение - установление класса (например, объект бронетанковой техники) - установление типа (например,
