ВведениеНестационарные процессы, происходящие в динамических и тепловых пограничных слоях, вызывали и вызывают интерес не только у исследователей, но и у конструкторов, специалистов по эксплуатации оборудования и других специалистов. Нестационарные процессы разделяют на пульсирующие и апериодические. К последнему случаю относятся, например, пусковые режимы энергосиловых установок, когда топливо подается в камеру сгорания и воспламеняется. За короткий промежуток времени в камере сгорания изменяются параметры рабочего тела – плотность и вязкость, формируется и развивается тепловой пограничный слой [1]. Динамический пограничный слой испытывает на себе соответствующие воздействия в связи с изменением тепловой обстановки [2]. Нестационарные процессы широко представлены в литературных источниках, однако практически отсутствует информация о тепловых высокодинамичных процессах [3].Эффективность теплоотдачи оценивают параметром аналогии Рейнольдса S = 2St / Cf, представляющим собой отношение коэффициента теплоотдачи к коэффициенту трения. В условиях внутренней задачи, например при торможении потока, теплоотдача увеличивается, а при ускорении, наоборот, снижается [4]. В некоторых случаях снижение теплоотдачи бывает предсказуемым, но количественно неожиданным, как у профессора М. Е. Дейча при исследовании обтекания сферы. Явление, которое он открыл первым, получило название «обратного перехода», или «ламинаризации» турбулентного пограничного слоя (ТПС) [5]. В результате дальнейших экспериментальных исследований в условиях внутренней задачи, выполненных другими учеными в различных странах [6–9], явление ламинаризации ТПС зафиксировали при различных видах воздействий – отрицательный продольный градиент давления, отсос пограничного слоя, охлаждение или нагрев стенки канала и др. В работе [10] экспериментально исследовалась структура динамического и теплового пограничных слоев. Результаты эксперимента доказали, что при проявлении эффекта ламинаризации ТПС пограничный слой остается турбулентным, а механизм турбулентного переноса существенно ослабевает, и, как следствие, уменьшается в 2,0–2,5 раза величина коэффициента теплоотдачи St, и нарушается аналогия Рейнольдса. Экспериментальный стендДля изучения теплообменных и газодинамических процессов был разработан и изготовлен экспериментальный стенд. Основой стенда является разомкнутый газодинамический контур, в котором в качестве генератора тепла используется плазмотрон 1 (рис. 1). Плазмотрон позволяет за очень короткий промежуток времени достичь высоких степеней нагрева рабочего тела. Для чистоты эксперимента необходимо на входе в экспериментальный канал сформировать равномерные профили скорости и температуры. Это достигается путем пристыковки к плазмотрону форкамеры 2 с соплом, спрофилированным по кривой Витошинского [11]. Внутри форкамеры установлены выравнивающие решетки 3 [12], а перед ними просверлены двенадцать радиальных отверстий, через которые подается воздух минуя плазмотрон, что позволяет варьировать величиной температуры рабочего тела и скоростью ее нарастания. К выходу сопла крепится экспериментальный канал 4, состоящий из семи секций диаметром и длиной 45 мм с толщиной стенки 0,08 мм, изготовленных из нержавеющей стали. Воздух, подаваемый в плазмотрон, поступал из ресивера, в который закачивался компрессором, и проходил через фильтры грубой 12 и тонкой 13 очистки и запорно-регулировочную арматуру 10 и 11. В состав измерительно-регистрирующей системы входили первичные преобразователи, согласующие устройства и регистратор. Расход рабочего тела (воздуха) измерялся расходомером переменного перепада давления 8, который не входил в измерительно-регистрирующую систему. Давление до и после диафрагмы измерялось образцовыми манометрами 9, а температура рабочего тела – стеклянным термометром 14. Температуры измерялись микротермопарами [13, 14] с диаметром термоэлектродных проводов 65 микронов, давления – индуктивными датчиками давления ДМИ-0,1-2 в комплекте с приборами УГ-УМ. Хромель-алюмелевой термопарой 7 измерялась температура рабочего тела на входе в экспериментальный канал. Хромель-копелевыми термопарами 6 измерялась температура стенки канала в функции продольной координаты и времени. Концы термоэлектродных проводов, раскатанные до 20 микронов, приваривались к наружной поверхности канала в середине 1-й, 3-й, 5-й и 7-й секций канала. Измерение полного давления проводилось в форкамере трубкой полного напора 5 в форме «лебединой шеи» [15]. Касательные напряжения трения изменялись методом «трубка-выступ» [16, 17].   Рис. 1. Принципиальная схема экспериментального стендаFig. 1. Schematic diagram of the experimental standЭкспериментальные исследования проведены в интервале среднерасходного числа Рейнольдса от 30 000 до 60 000. При этом температура рабочего тела в приосевой области изменялась в диапазоне Т = 293–1 500 К с увеличением температуры потока с градиентом до 12 000 К/с и скорости потока с градиентом до 700 м/с2. Были посчитаны среднеквадратичные погрешности [18], величины которых не превысили значений при определении температуры 0,75 %, скорости потока 1,6 %, коэффициентов трения и теплоотдачи 9,2 и 9,5 % соответственно. Результаты исследованийРезкое увеличение температуры газового потока в потенциальной области с градиентом температуры 12 000 К/с и с градиентом скорости потока 700 м/с2 формируют тепловую и гидродинамическую нестационарности, которые, в свою очередь, изменяют величины коэффициентов трения и теплоотдачи (рис. 2, 3). С изменением температуры потока изменяются теплофизические свойства рабочего тела, такие как плотность и вязкость, следовательно, изменяются параметры пограничных слоев и течения в целом. В динамическом пограничном слое увеличение температуры потока сопровождается изменением интегральных характеристик [19], а перестройка кинематической структуры приводит к увеличению пристеночных касательных напряжений трения [2]. На рис. 2 представлена зависимость коэффициента трения в функции характерного числа Рейнольдса при разной динамике нарастания температуры газового потока: 2 500 К/c и 150 м/с2 (точки обозначены ромбом), 6 000 К/c и 350 м/с2 (квадраты), 12 000 К/c и 700 м/с2. Цифры обозначают время: 1 – 0,01 с; 2 – 0,02 с; 3 – 0,03 с; …, 11 – 0,1 с; 12 – 0,12 с (треугольники). На рис. 3: 3 – 0,03 с; 4 – 0,04 с, …, 11 – 0,1 с; 12 – 0,12 с. Увеличение температуры потока и его динамики приводят к большему нарастанию величины коэффициента трения, который определялся по выражению где массовая скорость ρ0w0  в знаменателе – величина постоянная по условиям эксперимента. В силу прямо пропорциональной зависимости коэффициент трения повторяет характер изменения касательных напряжений трения τw. В эксперименте, кроме перепадов давления на датчиках «трубка-выступ», измерялось полное давление в форкамере P0* и статические давления в каждом контрольном сечении, разность которых равна: К моменту времени 0,12 с нестационарный процесс можно считать законченным, поскольку экспериментальные точки группируются около стандартной зависимости для турбулентных режимов течения.С увеличением температуры потока формируется тепловой пограничный слой. Измеренные в эксперименте температура потока в приосевой области и температура стенки в функции продольной координаты и времени позволили определить параметры теплового пограничного слоя. Увеличение температуры потока сопровождается прогревом пограничного слоя и увеличением температуры стенки канала. С начала эксперимента временная производная температуры стенки канала увеличивается, что вполне логично, а начиная с момента времени 0,06 с производная имеет постоянную величину, т. е. стенка канала прогревается с постоянной интенсивностью. Плотность теплового потока, определяемая по выражению также имеет постоянную величину с момента 0,06 с. Здесь Δqw – потери тепла, обусловленные свободной конвекцией и лучистым теплообменом, ввиду отсутствия теплоизоляции наружной поверхности канала, которые не превысили 5 %. Коэффициент теплоотдачи α определялся по закону Ньютона: а характеризующий перенос тепла от газового потока к стенкам канала (критерий Стантона) – выражением                                                                   На рис. 3 кроме экспериментальных точек построены зависимости: 1. Т – стандартный закон теплоотдачи для турбулентных режимов течения: 2. Л – стандартный закон теплоотдачи для ламинарных режимов течения: 3. А – аппроксимационное выражение: Отслеживая перемещения экспериментальных точек, удалось определить величину производной температуры потока по времени – около 3 000 К/c. С этого порога начинает снижаться величина коэффициента теплоотдачи ниже стандартного значения при увеличении температуры газового потока и уменьшении числа . На рис. 3 наблюдается миграция экспериментальных точек в нижний левый угол, где они группируются около прямой Л, что свидетельствует о ламинаризации теплового ТПС. Анализ выражения (1), по которому определялась величина коэффициента теплоотдачи St, позволил определить причину ламинаризации ТПС. Причиной является неизотермичность, т. к. массовая скорость и тепловой поток не изменяются во времени, следовательно, параметром ламинаризации может быть температурный фактор ψh или температурный напор ΔT. По изменению величины температурного напора определены границы области ламинаризации ТПС ΔT ≥ 700 К и переходной области от 350 до 700 К.На рис. 4 представлена зависимость относительного коэффициента теплоотдачи в функции временной координаты. В рассматриваемом динамичном режиме относительный коэффициент теплоотдачи изначально принимает наиболее максимальную величину. Значения относительного коэффициента теплоотдачи, как и в других режимах, плавно уменьшаются и, в отличие от двух других, к окончанию нестационарного процесса принимают значение 0,5. Изменения во времени параметра S аналогии Рейнольдса представлены на рис. 5. Во всех трех режимах наблюдается нарушение аналогии Рейнольдса, но более существенно это имеет место в третьем режиме, когда S принимает минимальную величину, равную 0,38. Затем ситуация несколько улучшается с небольшим увеличением параметра. В целом в рассмотренной ситуации можно констатировать нарушение аналогии Рейнольдса, в особенности при высокой динамике нарастания температуры газового потока, и, как следствие, существенное снижение эффективности переноса тепла более чем на 50 %. В рассмотренном процессе резкого увеличения температуры газового потока коэффициент трения консервативен к происходящему в тепловом пограничном слое (см. рис. 1).   Рис. 5. Изменение во времени величины параметра S аналогии РейнольдсаFig. 5. Time change in the value of the parameter S of the Reynolds analysis ЗаключениеПри резком увеличении температуры газового потока формируются тепловая и гидродинамическая нестационарности; чем выше динамика процесса, тем сильнее проявляются эффекты нестационарности, которые совместно с неизотермичностью создают условия по снижению эффективности теплоотдачи. Факт снижения интенсивности переноса тепла весьма важен, особенно в процессе определения теплонапряженных участков в конструкциях и элементах судовых газотурбинных двигателей, при решении вопросов о перегреве этих участков и, как следствие, формировании внештатных ситуаций.