Теплофізичний експеримент в системі освіти магістрів теплотехнічних спеціальностей

Abstract

Проведення теплофізичних експериментів стало явищем надзвичайно рідкісним в силу їх дорожнечі, складності, тривалості підготовки і проведення. Найчастіше викладачі університету схиляються до комп'ютерного моделювання тих чи інших технічних процесів для поглибленого формування знань студентів. Причина такого вибору очевидна – це наочність і відносно швидке досягнення мети. Негативна сторона такого вибору – це відсутність здібностей у майбутніх фахівців оцінити надійність тих чи інших експериментальних залежностей між фізичними параметрами процесів, які використовуються для проектування машин. Для усунення цього недоліку навчального процесу була створена малогабаритна аеродинамічна труба і розроблена детальна методика проведення експерименту і обробки експериментальних даних. Довжина робочої ділянки труби дорівнювала 0,5 м, прямокутний поперечний переріз каналу труби дорівнювало 0,35×0,15 м2 . Тепловіддача вивчалася на нижній стінці аеродинамічної труби, на якій вздовж течії повітря були встановлені три нагрівальні елементи. Нагрівальні елементи представляли собою смужки з константану перетином 10×0,11 мм2, на нижній поверхні яких були закріплені термопари. Максимальне значення локального числа Рейнольдса було Rex < 105, тобто практично на всій поверхні розвивався ламінарний пограничний шар. При обробці результатів експериментів були враховані радіаційні втрати теплоти і втрати теплоти теплопровідністю уздовж нагрівальних елементів. Однак значення інтенсивності тепловіддачі виявилися в 3–4 рази більше, ніж при ламінарному режимі течії. В результаті чисельного аналізу теплового стану експериментальної пластини були визначені втрати теплоти, які раніше не враховувалися. В результаті було досягнуто практично повний збіг експериментальних значень інтенсивності тепловіддачі з розрахованими значеннями по надійному рівнянню подоби. Проведене дослідження є необхідним для формування компетенції магістрів теплотехнічних спеціальностей.Thermophysical experiments became a very rare phenomenon due to their expensiveness and rather complicated and time-consuming preparation and carrying out. Very often the teachers tend to prefer the computer simulation of these and those technological processes for the indepth formation of detailed knowledge in students. The reason for such a preference is evident; this approach provides visual aspects and relatively fast attainment of the goal. A negative side of such a choice is that the future specialists are not able to judge the reliability of these and those experimental relationships between the physical parameters of the processes that are used for the machinery design. To remove this drawback of the teaching and learning process, a small-size aerodynamic tunnel was created and the detailed technique for the running of experiment and experimental data processing was elaborated. The length of the working section of this tunnel was equal to 0.5 m. The rectangular cross-section of the tunnel bore was equal to 0.35×0.15 m2. The heat loss was studied at the lower wall of aerodynamic tunnel that was equipped with three heating elements arranged longitudinally to the air stream. The heating elements were the strips made of constantan with the cross-section of 10×0.11 mm2 and the thermocouples were fixed to the lower surface. A maximum value of the local Reynolds number was Rex < 105, i.e. the laminar boundary layer was actually in progress on the entire surface. When processing the obtained experimental data we took into account radiation heat losses and the heat losses caused by thermal conductivity along heating elements. Nevertheless, heat transfer intensity values turned out to be 3 to 4 times higher in comparison to those of the laminar flow mode. The numerical analysis of the thermal state of the experimental plate enabled the determination of the heat losses that were not taken into account earlier. Hence, we managed to achieve actually full coincidence of the experimental values of the intensity of heat transfer that were derived from a reliable similarity equation. The research done is required for the formation of the competence in students that study for the Master’s degree to get their specialty.