Монография Попов т3

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

булизации набегающего потока использовался флажковый генератор турбулентности. Он позволял получать интенсивность турбулентности перед углублением от 22 до 7.2% при неизменных значениях интегрального масштаба турбулентности 58 мм и толщины пограничного слоя 15 мм.

Для измерения характеристик течения в рециркуляционных зонах использовался специальный термоанемометр, чувствительный к направлению потока.

Рис.3.29. Картина течения в полусферическом углублении: а – линии тока и профили скорости w в диаметральной плоскости А углубления; б – линии тока вблизи поверхности углубления и вокруг него; G – область перемещений эпицентра вихря

[23–25]

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

ны полусферы в другую.

Несмотря на нестабильность смерчеобразных вихревых структур, авторам цитируемой работы удалось определить координаты точек, где эпицентры этих вихрей дискретно существуют. Эти точки расположены под углом +45° и −45° по отношению к продольной плоскости симметрии выемки. Эпицентры вихрей расположены на расстоянии (0,25...0,30)h от донной (полюсной) точки

(рис.3.30).

Авторами работы [23] показано также, что осредненная скорость возвратного течения составляет примерно 0,4w0. Выходящий из полусферической выемки вихрь образует "газодинамическое тело" в виде сферического сегмента (рис.3.29б). Циркуляционное течение в выемке образует замкнутый контур. В результате этого часть поступающего в выемку потока возвращается снова в выемку, а часть выносится во внешнее течение смерчеобразной вихревой структурой. Осредненное по всей поверхности выемки поверхностное трение составляет примерно 0,45 от его значения на исходно гладкой поверхности.

Вработе А.В.Медведева и Э.Д.Сергиевского [26] проведены исследования течения (при числах Рейнольдса Re=60000–100000) в одиночном полусферическом углублении диаметром 22 мм и глубиной 5,5 мм на гладкой пластине 500×50 мм при обтекании турбулизированным потоком. Выемка находилась на расстоянии 216 мм от переднего края пластины. В ходе экспериментов установлено, что до выемки профиль продольной скорости не претерпевает никаких изменений, т.е. не наблюдается влияния выемки вверх по потоку. Набегающий поток при входе в выемку дополнительно турбулизируется, перемешивается с находящейся в выемке жидкостью и увлекает частицы жидкости из зоны смешения в основное течение.

Вцентральном сечении выемки у дна зафиксировано смерчевое течение. За лункой на удалении 15 мм профиль скорости отклоняется от профиля на гладкой пластине в сторону меньшей заполненности.

Исследованию профилей скорости и турбулентности (рис.3.31), а также влияние на вихреобразование в полусферических выемках при турбулентном режиме течения посвящены работы Я.П.Чудновский

[27].

Одно из первых экспериментальных исследований течения, индуцируемого внешним потоком в полусферических кавернах, приведено в работе Р.С.Снидекера и С.П. Дональдсона [28]. Было показано, что при определенных геометрических соотношениях в кавернах су-

ществует тип вторичного течения, имеющий две устойчивых состояния. Кавер-

120

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

ны, изготовленные в виде полусферических чашек из оптически прозрачного материала, крепились с нижней стороны в полу рабочей камеры дозвуковой аэродинамической трубы. Полусферические чашки были смонтированы с отверстиями в полу рабочей камеры, через которые сдвиговое воздействие набегающего потока приводило к образованию изучаемого типа течения.

Течение в каверне исследовалось с помощью шелковинок, укрепленных на проволочном стержне, который устанавливался в различных положениях в полости каверны. Течение с двумя устойчивыми состояниями наблюдалось в том случае, когда диаметр чашки каверны был равен диаметру отверстия а полу. Для этой геометрии можно было ожидать, что индуцируемое в каверне течение будет типа устойчивого ведомого вихря с осью, перпендикулярной к направлению набегающего потока. В действительности, однако, было обнаружено, что ось вихря сильно наклонена к направлению набегающего потока. Это наклонное положение оси было устойчивым и не изменялось в диапазоне изменения скорости в аэродинамической трубе (15–66 м/с). Геометрическая форма

исследованной каверны и положения оси вихря показаны на рис.3.32. Дополнительные испытания показали, что наклонное положение оси вихря может быть изменено на симметрично противоположное по отношению к оси трубы. Оказалось, что возможно задать такое начальное отклонение потока, чтобы привести течение в любое из этих двух устойчивых

состояний по желанию. Чтобы осуществить это, на дне каверны устанавливали маленькую направляющую лопатку размерном 0,25×0,28 дюйма в направлении, соответствующем местному направлению потока для одного из заранее выбранных положения вихря. Величина направляющей лопатки была достаточной для того, чтобы при работающей аэродинамической трубе изменить положение вихря на симметрично противоположное только посредством изменения направления лопатки на противоположное.

Врассмотренном случае область низкого давления, играющая роль стока, обнаружена вблизи края выемки в стороне от продольной оси к несколько ниже от центра отверстия.

Описанные выше работы в основном описывали процессы в самой выемке. Но наиболее важным для обоснования механизмов интенсификации теплообмена является выяснение картины течения над и за выемкой.

Вработе [19] приводятся результаты визуализации потока над выемками

в«стесненном» и «нестесненном» каналах при турбулентном отрывном обте-

121

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

кании выемок. По мере увеличения скорости течения потока возникает 2 ветви эволюции течения:

- затекание торцов вихря друг в друга и возникновение кольцевых вихрей,

является образование смерчеобразного вихря (рис.3.33в и 3.33г), расположение которого зависит от относительной высоты канала Н в единицах диаметра сферической выемки D.

В работе [18] подтвержден один из возможных сценариев формирования, развития и разрушения нестационарной вихревой структуры в глубоком сферическом углублении (h/D=0,2) при относительно высоких числах Рейнольдса (ReD>20 000). Первоначально в углублении

возникает вертикальный «вихревой цилиндр» диаметром 0,3D, окруженный тороидальным вихрем. Оба вихря растут во времени и трансформируются в коническую вихревую структуру с вершиной, погруженной в углубление. Конус вихря постепенно увеличивается и образует «грибообразную» структуру на дне выступающего в поток конуса. Так как грибообразная структура размещается выше уровня углубления, то поток периодически «срезает» его вершину, образуя серию тороидальных вихрей, сносящихся вниз по потоку. Уменьшенный по высоте конус вновь погружается в углубление, а вынесенные в основной поток кольцевые вихри сжимаются в нем и «аннигилируют», т.е. полностью исчезают. Кольцевые (тороидаль-

122

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

ные) вихри являются наиболее стабильными вихревыми структурами в природе, поэтому их «аннигиляция» в потоке происходит практически без дополнительной турбулизации потока и потерь давления.

Рассмотренная неустойчивая картина повторяется каждые 10...15 секунд с частотой пульсаций, соответствующей числу Струхаля Sh=0,04...0,06, при этом изменяются периодически как положение вихря в углублении (поперечная «миграция»), так и направление его вращения. «Полюс» пульсирующего вихря располагается приблизительно на расстоянии 30º от передней кромки углубления и осциллирует в диапазоне ±45º. Частота флуктуаций вихря возрастает с ростом числа ReD и увеличением глубины выемки (h/D>0,15) и составляет 1 Hz (Sh=0,003) и 16 Hz (Sh=0,079) для чисел Рейнольдса ReD=50000 и 300000. При скорости потока ниже соответствующей числу ReD=8000, флуктуации вихря весьма «вялые» и вихрь может оставаться в левой или правой половине углубления в течение нескольких минут. Внешняя турбулентность потока подавляет флуктуации вихря; для ReD=300000 они составляют около 8 Hz (Sh=0,04) для Тu=15%, и только 0,13 Hz – при Тu=20%. Очевидно, что широкий спектр вихрей во внешнем потоке значительно снижает флуктуации вихря как внутри сферического углубления, так и за ним.

При малых H/D смерчеобразный вихрь встает в канале, дотягиваясь до его противоположной граничной поверхности и замыкается на ней [19]. При больших H/D смерчеобразный вихрь выходя ложится в канале вдоль стенки с затеканием в следующую по потоку выемку. Одной из особенностей процесса обтекания сферической вогнутости на этом этапе является ориентация смерчеобразного вихря под углом 45° влево или вправо по отношению к направлению обтекающего потока и выпрямление вихревой струи по потоку за пределами вогнутости. Об этом свидетельствуют положения шелковых нитей при визуализации: натянутые потоком на гладкой поверхности и изогнутые смерчеобразной струей в выемке (рис.3.34).

(как до выемки) уровень турбу-

123

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

лентности. Авторы цитируемой работы считают, что, по-видимому, продольный вихрь за полусферической выемкой быстро разрушается.

Основная часть исследований в работе В.И.Терехова, С.В.,Калининой и Ю.М Мшвидобадзе [30] была проведена на гидродинамическом стенде, схема рабочего участка показана на рис.3.40 и который представляет собой канал прямоугольного сечения высотой 15 и шириной 115 мм. Сферическая выемка располагается на расстоянии 660 мм от входа в канал, так что формирование пограничного слоя перед каверной происходило на этой длине.

Рабочий участок канала был выполнен из полированного органического стекла, что позволяло производить визуальные наблюдения, а также измерения с помощью лазерного доплеровского анемометра (ЛДА). Размеры выемки в описываемой серии экспериментов были фиксированными (рис.3.35): радиус сферы R = 28 мм, глубина шарового сегмента h =12 мм, а ее диаметр D = 46 мм. Относительные значения геометрических параметров составляли: hD = 0,26 , 2hH =1,6 и, следуя классификации такую выемку можно было

считать глубокой. В данной работе края выемки были острыми. Большинство измерений было выполнено при постоянной скорости в канале; ее среднее значение составляло w0 =1,42м/с, а число Рейнольдса, рассчитанное по эффектив-

ному диаметру, было равно Reэ = w0Dэфν = 3,62 104 . Выбор данного расход-

ного режима был обусловлен тем, чтобы перед каверной было сформировано течение с развитым турбулентным профилем скорости.

Наблюдения показали, что для всех рассматриваемых выемок при значениях скорости w0 0,2 м/с (число Рейнольдса по диаметру выемкиReD 9,2 103 ), внутри выемки формируется структура, состоящая из пары

симметрично расположенных вихрей (рис.3.35). Пограничный слой отрывается от верхней по потоку кромки выемки. Область повторного присоединения струйного пограничного слоя, его растекание (часть потока идет в каверну, часть вне ее) носят нестационарный пульсирующий характер. Следствием этого является нестационарность описанной выше вихревой пары, а также периодическая свертка потока, оторвавшегося от верхней кромки каверны. При визуализации течения с помощью оптически активной жидкости за лункой наблюдалась структура, внешне аналогичная вихревой дорожке Кармана, представляющей собой автоколебательный режим течения. Как и для дорожки Кармана имелся временной интервал (сдвиг) между вихрями, соответствующими правой

илевой долям выемки (см. рис.3.36). При увеличении скорости частота свертки потока, срывающегося с верхней кромки каверны, увеличивалась, и соответственно временной интервал между вихрями в дорожке Кармана уменьшался.

При визуализации на гидростенде наблюдались поперечные – в направлении z - колебания воздушных струек. Эти колебания имели низкочастотную

ивысокочастотную составляющие. Высокочастотные колебания имели малую амплитуду и определяли, по-видимому, процесс формирования дорожки Кармана. Колебания низкой частоты были апериодическими, с большой амплиту-

124

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

дой. Они приводили к резкому изменению направления распространения струи. Как видно из фотографии, данной на рис.3.36, угол между осью струи и направлением основного потока составлял 450, либо −450. Характерное время низкочастотных колебаний 20с. Их апериодичность, согласно [19], связана с влиянием случайных турбулентных пульсаций внешнего течения. Описанные результаты визуализационных наблюдений соответствуют данным [22], где с помощью термоанемометрического датчика, установленного за лункой симметрично ее оси, зафиксирован сдвиг фаз, огибающих интенсивности турбулентности.

Визуализационные исследования в работе [45] подтвердили возникновение в глубоких выемках переключательного режима течения. В целом результаты визуализационных наблюдений в работе [45] состоят в следующем.

При hD =0,26 и малой скорости потока (w0<0.2 м/с, чему, как показали

проведенные с помощью лазер-доплеровского анемометра измерения распределении скорости и пульсаций, соответствовал ламинарный или переходный к турбулентному режим течения в канале) внутри выемки формируется структура, состоящая из пары симметрично расположенных вихрей. Пограничный слой отрывается от верхней по потоку кромки каверны.

Область повторного присоединения пограничного слоя, его растекание (часть потока идет в каверну, часть вне ее) носят нестационарный пульсирующий характер. Следствием этого являются нестационарность (дрожание) описанной выше вихревой пары, а также периодическая свертка потока, оторвавшегося от верхней кромки каверны. При визуализации течения за выемкой наблюдалась структура, внешне аналогичная вихревой дорожке Кармана, представляющей собой автоколебательный режим течения.

Как и для дорожки Кармана, имелся временной интервал (сдвиг) между двумя вихрями, соответствующими правой и левой долям лупки. При увеличении скорости частота свертки потока, срывающегося с верхней кромки каверны, увеличивалась и временной интервал между вихрями в дорожке Кармана уменьшался. При скорости потока w=0,8 м/с, для которой проводились измерения давления, режим течения в канале был турбулентным, а вихревая структура внутри выемки асимметричной. При визуализации течения вдувом воздуха через отверстия на стенке с лупкой наблюдались поперечные (в направлении z) колебания воздушной струи (рис.3.36д–е, где демонстрируется направление 2 распространения струи 1 в различные моменты времени). Эти колебания имели низкочастотную и высокочастотную (дрожание струи) составляющие. У высокочастотных колебаний малая амплитуда (<< D ), и они связаны, по-видимому, с автоколебательным процессом формирования дорожки Кармана. Колебания низкой частоты можно объяснить возникновением переключательного режима течения в выемке. Они были апериодическими, с большой амплитудой (~ D ) и приводили к резкому изменению направления распространения струи (примерно от 45 до –45°). Характерное время низкочастотных колебаний составляло

~20 с.

125

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

д е Рис.3.36. Визуализация течения в полусферической выемке [30]: а, б: 1 – источ-

ник струи, 2 – направление распространения струи в разные моменты времени; в: область возмущения за лункой в направлении z составляет D ; г: 1 – контур выемки, 2 – контуры вихревой структуры над сферической выемкой; д, е – результаты визуализации [33]: направления 2 распространения струи 1 в различные моменты времени

Картина течения в трехмерном углублении, по мнению авторов работы [30], имеет сходство с течением в двумерной выемке. Оно проявляется в наличии вихревой структуры внутри выемки, нестационарности течения у задней кромки, приводящей к свертке сдвигового слоя и формированию вихревой дорожки за выемкой. Для системы полусферических выемок при исследованной геометрии качественного изменения течения в окрестности выемок обнаружено не было.

Исследование в работе А.Б.Езерский и В.Г.Шехова [31] проводилось в малотурбулептпой аэродинамической трубе. Обтекание углубления диаметром D происходило при числах Рейнольдcа ReD=5·107 и Rex=6·105, где Reх определено по расстоянию от начала пластины х=40 см. При таких числах Rе в дан-

126

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

ном эксперименте пограничный cлой на пластине турбулентный. Его толщина перед углублением составляла 10 мм. Исследования проводились на углублениях диаметром D=3 см и глубиной h=1,5; 1,0 и 0,5 см. Однако обсуждаются результаты только для полусферической выемки.

Экспериментально с помощью тепловизора получено распределение яркости теплового излучения полусферической выемки, показанное на рис.3.37. Скорость потока w0=25 м/с. Наиболее интенсивному отбору тепла соответствуют темные области на рис.3.37а, которые наблюдаются в области за выемкой. Внутри углубления у переднего края выемки возникает застойная зона. Здесь температура значительно выше, чем на плоской поверхности. Подобные распределения яркости изображения получались и при меньшей глубине выемки, однако контраст изображения был значительно меньше, чем для полусферы.

Рис.3.37. Результаты визуализации температуры поверхности со сферической выемкой с помощью тепловизора [31]

На рис.3.37б представлено распределение изотерм, соответствующих распределению яркости на рис.3.37а. Разность температур между наиболее горячими и наиболее холодными областями составляет 8К. Связь яркости изображения с температурой получена с помощью термопары. Увеличение теплового потока в области за углублением на площадке порядка ее размера компенсируется уменьшением теплового потока в застойной зоне, так что суммарный поток, рассчитанный интегрированием яркости инфракрасного изображения по

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

ния, было обнаружено, что в области за лункой происходят колебания в распределении истока тепла. Анализ кадров видеомагнитофонной записи яркости излучения позволили составить схему временного изменения потока тепла. На рис.3.38 показана поверхность теплообмен с полусферической выемкой в центре. В области за выемкой (направление потока указано стрелкой) квазипериодически во времени возникают темные и светлые пятна, которые меняются местами. Такие распределения яркости говорят о колебаниях потока тепла, которые можно называть переключениями. При скорости w0=25 м/с переключения происходят через время порядка долей секунды. С уменьшением скорости до 10 м/с время между переключениями увеличивается до 1 с. Такая структура теплового потока хорошо коррелирует с измерениями пульсаций скорости в работе [22], где обосновывается существование в течении за углублением левой и правой мод. В данном случае эти пространственные моды проявляются в виде квазипериодических переключений в распределении потока тепла.

Приведенные работы по визуализации течения относились к ранним работам (до 1998 года). В период 1999–2007 годы проведены новые исследования с использованием более совершенной техники визуализации. К данным работам относятся труды А.А.Халатова, Ф.Лиграни, Дж.И.Махмуда и др. Кроме этого, необходимо указать, что данные работы носили более комплексный характер и охватывали широкий диапазон изменения конструктивных и режимных параметров.

Вработе Дж.И.Махмуда и Ф.М.Лиграни [32] проведены картины течения

вплоских каналах высотой H от 12,7 до 50,8 мм, шириной B=411 мм и длиной L=556 мм, одна из стенок которого нагревается и имеет поверхность со сферическими выемками, расположенными в шахматном порядке.

Рис.3.39. Схема исследуемой поверхности со сферическими выемками [32]. Все размеры в мм.

128