Монография Попов т3

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи

вканалах теплообменного оборудования

Всвязи с этим, авторы работы [4] утверждали, что поверхностные углубления не являются крупномасштабной шероховатостью, а обладают свойствами, оказывающими специфическое влияние на аэродинамическое сопротивление и переход ламинарного пограничного слоя в турбулентный. Данный вывод сделан и в обзоре Р. Мехты [5].

Рис.3.5. Панцырь и голова насекомого покрыты поверхностными углублениями, снижающими аэродинамическое сопротивление насекомого (отрыв потока на поверхности)

В презентации к докладу А.А.Халатова [6] показано, что природа нашла этот способ уменьшения аэрогидросопротивления и приспособила к нему поверхности тел живых существ. На приведенной в презентации фотографии (рис.3.5) панцырь и голова насекомого (мухи) покрыты поверхностными углублениями, по мне нию автора, снижающими аэродинамическое сопротивление насекомого (отрыв потока на поверхности) подобно мячу для гольфа с выем-

ками. Действительно, выемки на тельце на-

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

speaker предусмотрено нанесение сферических выемок на тыльной стороне мембраны динамика (рис.3.7).

Для уменьшения трения и как следствие потребляемой электроэнергии фирмой Zaward предлагается использовать на 7 криволинейных поверхностях лопастей вентилятора сферические выемки [8]. Данное предложение было разработано на основе исследований аэродинамики мяча для гольфа. Поэтому новый вентилятор имеет название Golf Fan (рис.3.8).

К.Вигхардтом [9] и Л. Тиллманном [10] были опубликованы результаты исследования рельефов поверхностных турбулизаторов на плоской пластине, имеющей размер в направлении потока 2 мм, а поперек него 25 мм. Однако, каких-либо особенностей в аэродинамических характеристиках обтекания таких рельефов К.Вигхардт [9] и Л.Тиллманн [10] не

обнаружили.

То есть, по сравнению с цилиндрической поверхностью или поверхностью сферы, имеющих тыльную по отношению к потоку поверхность, использование выемок на плоской поверхности не приводит к снижению аэрогидросопротивления. Подробное обсуждение исследований П.В.Бирмана и Дж.К.Харвея, К.Вигхардта и Л.Тиллманна приведено в работах А.А.Халатова [6,11] и Г.И.Кикнадзе и др. [12].

В этой связи предложение Г.И.Кикнадзе [13,14] по нанесению выемок на поверхность локомотива скоростного железнодо-

рожного экспресса ICE (рис.3.9) требует большего объяснения. Локомотив имеет гладкую боковую поверхность своего вагона. Работа выемок по уменьшению аэросопротивления, согласно К.Вигхардту и Л.Тиллманну там не должна про-

100

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

являться, как не должны служить выемки и снижению сопротивления на лобовой части локомотива. Их работа может быть ощутимой только на переднем изгибе крыши локомотива или на изгибе крыши последнего вагона. В остальных случаях выемки могут и должны привести к увеличению сопротивления, как это происходит на шероховатых стенках.

Подобные исследования по нанесению выемок, подобно мячу для гольфа, на всю поверхность проведены и для автомобилей. Для иллюстрации полученного эффекта были проведены тестовые заезды, обдув дымом и прочие исследования в одной из программ на познавательном канале Discovery. Вывод однозначный – автомобиль с выемками на всей поверхности имеет большее аэродинамическое сопротивление.

Фирмой Mitsubishi проведен ряд исследований по нанесению на спортивные автомобили в зоне отрыва потока системы турбулизаторов потока. Вместо сферических выемок авторы исследований предлагают наносить косые разрезные ребра типа «ласточкин хвост». Нанесение турбулизаторов предполагается только на задние части крыш (изгиб крыши) автомобили типа «чэтчбэк» («комби») или «туринг» («универсал»). Кроме уменьшения аэродиамического сопротивления из-за более позднего отрыва, наличие турбулизаторов по этой же причине приводит к уменьшению загрязнения по-

верхности задних стекол, для чего ранее использовался спойлер (направляющий аппарат).

Данный эффект меньшего засорения поверхностей с турбулизаторами, к которым можно отнести и сферические выемки использован на автомобилях Lexus, Audi, Volkswagen и др. В презентации [15] наглядно показана картина обтекания днища автомобиля Lexus с нанесенной на него системой сферических выемок (рис.3.10). В передней части, на изгибе защиты картера двигателя, виден более поздний отрыв потока. На всей остальной части днища выемки служат только для уменьшения засорения.

Следует указать, что сферические выемки широко используются и для создания большего гидравлического сопротивления и большей диссипации энергии за счет этого. Например, в гидравлических машин типа «вихревой» теплогенератор или гидравлический тормоз необходимо создавать сопротивление поступательному или вращательному движению их элементов, приводимых в движение другими машинами. В результате перемещения элементов машин в среде, оказывающей сопротивление движению, происходит выделение тепла – механическая энергия превращается в тепловую. Конструкции ро-

101

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

тора (диска или системы дисков) и статора (неподвижных боковых стенок) в зависимости от назначения гидравлической машины могут быть различными. В некоторых случаях диск и боковые стенки содержат штыри, лопатки, выемки и прочие элементы, увеличивающие его гидравлическое сопротивление при вращении (рис.3.11).

Рис.3.10. Картина обтекания днища автомобиля Lexus (а), покрытого системой сферических выемок [15], и накладки защитных экранов со сферическими выемками на днище автомобиля Volkswagen [13]

Рис.3.11. Гидравлический тормоз («вихревой» теплогенератор) с перфорированными дисками и боковыми стенками со сферическими выемками, испытанный В.Г.Тонконогом, И.А.Поповым, В.С.Колкуновым

Описанный выше метод уменьшения аэрогидросопротивления с помощью сферических выемок на криволинейных поверхностях вызвал интерес у специалистов-теплотехников с целью создания теплообменного оборудования обладающего высокой теплогидравлической эффективностью. Однако высокие потенциальные возможности этой технологии интенсификации теплообмена при «замораживании» роста или вообще уменьшении гидросопротивления около поверхности со сферическими выемками требовали экспериментального подтверждения для плоских поверхностей, продольного и поперечного обтекания труб.

102

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи

вканалах теплообменного оборудования

3.2.Анализ исследований гидродинамики и теплообмена в каналах со сферическими выемками

3.2.1.Режимы течения жидкости в каналах со стенками, формованными системами сферических выемок.

Результаты визуализации потоков

Влияющими факторами на режимы течения являются в первую очередь скорость натекающего потока и геометрия обтекаемой поверхности. Последнее является особенно важным при рассмотрении рельефов со сферическими выем-

кромками. т.е. выемок двойной кривизны и сферических вогнутостей. Для выемок с плавными обводами радиус кривизны «округления» кромки R(+) определяется из выражения:

R(+) =[(rc − rsph )2 −(hc −hsph )2 ]/[2(hc − hsph )2 ],

а для вогнутостей – выемок с «острыми» краями радиус кривизны формующего элемента R(–); рассчитывается по формуле

R(−) = (rsph 2 +hsph 2 ) / 2hsph 2

Увеличение площади поверхности за счет нанесения на нее углублений двойной кривизны определяется соотношением:

103

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

где ∆Sп.сф.в – увеличение площади поверхности за счет нанесения сферических выемок; Sп.сф.в – площадь поверхности со сферическими выемками; Sгл.п – площадь исходной гладкой поверхности.

Рис.3.13. Формы и характерные размеры формованных сферическими выемками поверхностей [10]: R(+) – радиус кривизны скругления кромки выемки; R(–) – радиус кривизны формующего элемента; rc – радиус выемки; rsph – радиус сферической части выемки; hc – глубина выемки; hsph – глубина сферической части выемки; dc – диаметр выемки; t1, t2 – продольные и поперечные шаги между выемками

Вработе В.П.Мусиенко [16] экспериментально было обнаружено, что сферическая выемка, ввиду своей геометрии является источником трехмерных

возмущений, которые проявляются уже при малых числах Рейнольдса (w∞≈3 м/c). Но воздействие ее на пограничный слой проявляется в зависимости от этапа перехода по разному.

Вранней работе Г.И.Кикнадзе и др. [17] визуализация потока произво-

дилась в канале длиной 800 мм с прямоугольным проходным сечением 19×6 мм2 при обтекании водой полусферических выемок диаметрами 2, 3 и 4 мм, выдавленными на донной поверхности канала. При небольших скоростях натекающего потока наблюдается лишь слабое искажение траекторий течения жидкости в районе выемки, причем на периферии эти траектории отклоняются в

104

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

сторону от выемки, а частицы, пролетающие над выемкой, стремятся «нырнуть» в нее (рис.3.14 и 3.15). По мере увеличения скорости w0 искажение захватывает все более высоколежащие над выемкой слои воды.

Очевидно, на этом этапе имеет место ламинарное безотрывное обтекание выемок.

Рис.3.14. Визуализация процесса обтекания сферической выемки [17,18]

радиус закругления R(+) таков, что происходит плавный переход от поверхности канала к поверхности выемки, т.е. выпуклый участок длится не менее глубины выемки h или если R(+) пренебрежимо мал, то максимальный угол при касательной не превышает величины около 0,1 радиана. На рис.3.14 показаны обтекаемая мелкая выемка и пристеночные линии тока в виде сверху и в сечении по осевой линии выемки. Обтекание сферической выемки жидкостью или газом обуславливает расширение потока в створе выемки за счет локального изменения геометрических характеристик канала. Это расширение потока в створе выемки вызывает торможение движущихся частиц на ее передних скатах [19]. Поток сплошной среды втягивается в выемку, вблизи краев выемки происходит увеличение средней скорости, а в середине – ее замедление.

Этот факт подтвержден экспериментами В.Н.Афанасьева и Я.П.Чудновского [20]. Измерения профиля статического давления в продольном направлении показали, что передняя по ходу потока половина выемки обтекается диффузорным

105

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

потоком, а задняя − конфузорным. При этом в выемке, подобно диффузорноконфузорным каналам, могут существовать нестационарные микроотрывы.

Проведенные эксперименты в работе [19] указывают, что даже при скоростях, составляющих доли единиц или единицы миллиметров в секунду (мм/с), возникающее торможение оказывается достаточным для образования возвратного течения, обтекающего левый и правый по потоку скаты выемки, что приводит к возникновению зоны рециркуляции, расположенной в выемке поперек течения и изображенной на эскизе рис.3.16. Этому режиму уделялось мало внимания в исследовательских режимах.

Дальнейшее увеличение скорости при сохранении ламинарного течения основного потока приводит образованию в ней симметричной вихревой структуры (рис.3.17), линии тока которой не замыкаются внутри вогнутости [18,19]. Линии тока входят в выемку в ее кормовой части и несколько сбоков, затем циркулируют в ней и выходят в центральной части выемки. Такой характер обтекания обязан трехмерности вогнутости. В двумерном случае обтекания аналогично глубокой поперечной к потоку канавки линии тока вихревого течения, циркулирующего в канавке, неизбежно замыкаются, так как не может быть самопересечений линий тока. Таким образом, по мнению авторов работ [18,19], незамкнутость линий тока трехмерной вихревой структуры, образующейся при обтекании глубокой трехмерной вогнутости является механизмом, интенсифицирующим тепломассообмен в ламинарном течении. В работе [18] указывается, что данные осесимметричные вихревые структуры образуются при более высоких скоростях по мере уменьшения относительной глубины выемок.

Визуализация течения, приведенная в работе [12], с помощью лазерного «ножа» в выемках с относительной глу-

биной h/D=0,17–0,25 также ука-

зывает, что, начиная со скорости w0=0,3·10–2 м/с, в обтекаемой выемке возникает вторичное течение в виде вихревой структуры, вращающейся поперек направления скорости основного потока. Приведенная

на фотографии рис.3.18 визуализация соответствует проекциям линии тока этой структуры на плоскость, проходящую через центральный меридиан выемки и нормаль к исходно гладкой поверхности. Азимутальная компонента скорости вихря «сшивается» на внешней границе вторичного закрученного потока с вектором скорости течения, порождающего вихрь. При этом азимутальная компонента скорости по величине и направлению совпадает с вектором скорости этого течения. Такая связь между основным течением и вторичными струями в выемках указывает, что изменение скорости этого течения влечет за собой изменение азимутальной компоненты скорости вихря. При этом в стволе вихря из-

106

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

меняется давление, и как следствие изменяются его геометрические размеры. Повышение скорости натекающего потока w0 приводит к сжатию вихря, а снижение этой скорости вызывает размывание вихря в выемке.

а. Число Рейнольдса по диаметру выемок

ReD=8·102, скорость w0≈0.1 м/сек

b. Число Рейнольдса по диаметру выемок

ReD=3·103, скорость w0≈0.3 м/сек

c. Число Рейнольдса по диаметру выемок

ReD=8·103, скорость w0≈0.8 м/сек

d. Число Рейнольдса по диаметру выемок ReD=104, скорость w0≈1.0 м/сек

Рис.3.18. Визуализация процесса обтекания сферической выемки [12,14]. Поток направлен слева направо.

107

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Более подробное рассмотрение данного режима приведено в работе [14]. В медленных потоках сплошной среды, обтекающих рельеф из сферических выемок (числа ReD≈103), внутри углубления наблюдаются уже сформировавшиеся динамические структуры, имеющие, на первый взгляд, вид симметричных образований. На рис.3.19 приведены видеокадры, отснятые при визуализации обтекания плоской поверхности с одиночной выемкой диаметром 30 мм, предоставленные М.И. Рабиновичем авторам работы [14].

в. г. Рис.3.19 Визуализация процесса обтекания углубления [14]

На рис.3.19а изображено исходное состояние – углубление наполнено дымом, поток воздуха остановлен, момент времени τ=0. На рис.3.19б показана эволюция потока в углублении по истечению ∆τ=5 сек с момента начала движения потока воздуха над углублением. Поток направлен слева направо. На рис.3.19в – эволюция потока в углублении по истечению ∆τ=12 сек с момента начала движения над углублением; угол, наблюдаемый между осью вихревой структуры и направлением основного потока указывает на всасывание среды в условно левый (относительно плоскости фотографии к направлению потока)

108