Монография Попов т3

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Выемки имеют диаметр D=50,8 мм (образующий радиус кривизны 36,8 мм) и глубину выемки h=10,2 мм, что обеспечивает относительные параметры: относительная глубина выемки h/D=0,2; относительная высота канала H/D=0,25–1,0; относительная площадь поверхности, занимаемая выемками f=52,3%. Схемы исследованных поверхностей показаны на рис.3.39.

Полученные мгновенные гидродинамические картины обтекания сферических выемок при различных степенях стесненности каналов H/D=0,25–

рис.3.41 во временной последовательности 1/30 с для поперечного сечения, соответствующего координате в X/D=8,0 (рис.3.40). Каждое изображение на рис.3.41а–с показывает визуализацию структуры потока с помощью дыма над плоской поверхностью за выемкой в девятом ряде.

Те же самые картины течения наблюдаются в последующих рядах выемок (одиннадцатого ряда).

Рис.3.41d показывает расположение плоскости, в которой в поток вводится дым для визуализации в зависимости от относительной высоты канала H/D.

Каждое из вихревых образований в виде «гриба», изображенных на рис.3.41а–с, указывает на присутствие в выемке пары противовращающихся вихрей. Рис.3.41a–c показывают, что каждая выемка, расположенная на нижней поверхности канала периодически генерирует приблизительно три пары вихревых структуры. Основная вихревая пара наблюдается в центральной части каждого изображения. Видно, что эти вихри расположены симметрично относительно центра выемки. Другие две пары вихрей расположены около левых и правых граней каждой выемки. Эти пары вихрей, которые формируются около краев выемки, имеют форму пучка вихрей, или иногда, коротких "шнуров" закрученной жидкости.

Все эти пары вихрей достаточно протяженны по длине канала и становятся меньшими в поперечном сечении, более удлиненными и более искаженные при взаимодействии с остальным потоком в канале за выемкой. Поэтому данные вихревые структуры периодически влияют на картину течения на плоской поверхности за выемкой, в последующей выемке и в смежный выемках (по диагонали от рассматриваемой при шахматном расположении выемок). В результате этого следует ожидать увеличения значений местных коэффициентов теплоотдачи на плоских поверхностях за выемками и особенно явно по периферии последующих выемок (что будет показано далее).

129

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Рис.3.41. Картины визуализации потока в поперечном сечении канала по ходу движения теплоносителя за выемкой в девятом ряду (Х/D=8,0) [32]. Временной промежуток съемки 1/30 с: а – ReH=610, H\D=0,25; b – ReH=900, H\D=0,5; а –

ReH=2560, H\D=1,0; d – поперечное сечение канала в плоскости визуализации

Периодичность вихреобразования в каждой изображенной на рис.3.41а–с временной последовательности очевидна для всех трех значениях H/D. Процесс периодичного вихреообразования более заметен при увеличении значения H/D. Процесс имеет форму повторяющегося циклического события, где каждый цикл состоит из захвата жидкости каждой выемкой, генерацией вихревых

130

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

обмена для углублений на плоской поверхности должен быть обусловлен неустойчивостью течения и воздействием трехмерных нестационарных вихревых структур над неструктурированными (плоскими) промежутками между углублениями.

В работе Ф.М.Лиграни, Дж.И.Махмуда и др. [36] проведены исследования локальных коэффициентов теплоотдачи и картины течения в плоских каналах высотой H=25,4 мм, шириной B=411 мм и длиной L=556 мм, одна из стенок которого имеет поверхность со сферическими выемками, а другая – со сферическими выступами. Поверхностные интенсификаторы расположены в шахматном порядке. В ходе экспериментов осуществлялся нагрев обеих стенок. Выемки и выступы имеют диаметр D=50,8 мм (образующий радиус кривизны 36,8 мм) и глубину выемки и выступов h=10,2 мм, что обеспечивает относительные параметры: относительная глубина выемок и высот выступов h/D=0,2; относительная высота канала H/D=0,5; относительная площадь поверхности, занимаемая выемками f=52,3 %. Эксперименты проводились при различных смещениях сферических элементов на нижней и верхней стенках относительно друг друга. Схемы исследованных поверхностей показаны на рис.3.44 и 3.45.

На рис.3.46 показаны мгновенные изображения, полученные при визуализации потока дымом в поперечном сечении канала при X/H=20,6 и Х/D=10,3 при конфигурациях канала с и без выступов на верхней стенке канала и различных взаимных относительных расположений выемок и выступов. Результаты визуализации на рис.3.46 соответствуют поперечному сечению канала в области центра выемок в середине 13-ого ряда. Выступы расположены на верхней грани изображения (кроме рис.3.46а), а выемки – в центре на нижней грани изображения.

Рис.3.44. Схема исследуемого канала со сферическими элементами [36]. Все размеры в см

132

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

на верхней стенке. Число ReH в данных случаях составляло от 380 до 570. Сечение выступа или части выступа хорошо видно в верхней части фотографий. При наличии на противоположных стенках канала выемок и выступов формы вихревых структур над выемкой схожи со случаем без выступов. Вихревые образования имеют форму гриба, что указывает на присутствие парного вихря в выемке. Однако по сравнению с данными визуализации на рис.3.46a, можно утверждать, что наличие выступов на верхней стенке канала вносит и некоторые особенности в картину течения. Вторичные течения (в каналах с выступами) перекрывают все сечение канала, и кажутся более интенсивными. Это подтверждается картинами закрутки объемов дыма, в том числе в «шнуры». От трех до шести вихрей соединяются дугу, хорошо видимую на рис.3.46b и 3.46e. Каждый из вихрей имеют размеры длину сопоставимую с высотой выступа и глубиной выемки.

В случае, проиллюстрированном на рис.3.46с, также имеют место вихревые структуры с сечением в виде сердца с обеих сторон выступов, в пределах которых находится вихрь в виде перевернутого гриба (указывающего на наличие парного вихря в выемке).

Авторы работы [36] указывают, что наличие выступа напротив выемки или при минимальном смещении уменьшает количество теплоносителя, заходящего в выемку, по сравнению с каналом с гладкой поверхностью над выемками.

Таким образом, формы и местоположение вихревых структур связаны со взаимным расположением в канале с выступов и выемок. Структуры становятся более сложными при увеличении сдвига выступа относительно выемок, причем прогрессируют от условий взаиморасположения, изображенного на рис.3.46b,

133

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи

вканалах теплообменного оборудования

кусловию, изображенному на рис.3.46e. Обратим внимание, что визуализируемая плоскость всегда расположена на середине 13-ого ряда выемок независимо от положения выступа.

Рис.3.46. Картины визуализации потока в поперечном сечении канала над выемкой в тринадцатом ряду (X/H= 20,6; Х/D=10,3) [36]: а

– ReH=1170, верхняя стенка гладкая; b – ReH=570, конфигурация рис.3.45b; с –

На рис.3.46b и 3.46e хорошо видно, что увеличение сдвига приводит к увеличению перемешивания потока за выемкой. Это связано и с тем, что это приводит к увеличению зон локальных уменьшений высоты канала и росту

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

ного действия. Все это приводит к существенному увеличению локальных коэффициентов теплоотдачи.

Визуализация потока в работе С.Й.Вона, К.Жанга и Ф.М.Лиграни [37] производилась для иллюстрации временных изменений в мгновенной структуре потока в зависимости от относительной глубина выемок и числа Рейнольдса. Схема исследованных поверхностей с рельефами из сферических выемок различной относительной глубины показана на рис.3.47. Визуализации потока представлена на рис.3.48 (t*=τV /H, где V – пространственно-усредненная по площади поперечного сечения потока продольная скорость). Изображения структуры потока на рис.3.48 получены при исследовании самой глубокой выемки h/D=0,3. Существенные вариации со временем очевидны по изменению структуры вихрей в потоке. Наиболее существенные изменения происходят в центральной паре вихрей (в средней части каждого изображения), которая периодически генерируется выемкой. Вследствие этого, меньшие вихревые пары на краях выемки (с обеих сторон выемки) периодически изменяют свою ориентацию, как бы раскачиваясь назад и вперед, вверх и вниз.

Установлено, подобные события происходят независимо от глубины выемки. Неустойчивость, связанная с этими колебаниями вихревых пар, имеет важное влияние на увеличение локальных коэффициентов теплоотдачи, увеличивая локальное перемешивание потока и периодически обновляя пограничный слой, который формируется вниз по течению от каждой выемки. В центральной части выемок за счет взаимодействия вторичных течений возникает зона рециркуляции с вихревой структурой.

В течении конкретных промежутков времени поток выходит из выемки и перемещается вверх от центральной части выемки с нисходящим вторичными течениями с обеих сторон выемки, которые подпитывают первичную пару вихрей, которая распространяется вниз по течению, становясь менее интенсивной и более удлиненной.

Периодичность генерации вихревых структур в потоке от каждой выемки

– одна из самых важных особенностей структуры потока на рассматриваемой поверхности.

Мгновенные изображения структуры потока, визуализируемые при различных числах Рейнольдса, сравнивались для выемок с различной относительной глубиной h/D=0,1; 0,2 и 0,3. На рис.3.49, эти изображения получены в том же самом месте визуализации потока, что и результаты, показанные на рис.3.48.

Следует обратить внимание, что наибольшие нарушения в потоке присутствуют над поверхностями с более глубокими выемками и меньшими числми Рейнольдса. Всем трем типа выемок свойственны подобные мгновенные структуры потока, которые состоят из периодически создаваемого центрального парного вихря и колеблющихся пар вихрей по боковым краям выемок

(рис.3.50).

Рис.3.49 также иллюстрирует, что центральные или первичные парные вихри являются несколько большими и более замысловатыми по сравнению с краевыми, при этом, становясь более искаженными при увеличении глубины

135

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

выемок. Циркулирование жидкости в них увеличивается с увеличением глубины выемок.

τ (сек) t*

0,000 0,000

0,017 0,252

0,033 0,490

0,050 0,742

0,067 0,994

0,084 1,246

0,100 1,483

0,117 1,735

0,133 1.973

Рис.3.48 Визуализация потока в поперечном сечении канала H/D=1 со сферической выемкой h/D=0,3 в 15 ряду (относительная координата X/H=12,14) в различные моменты времени при ReH=2100 [37]

136

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

ReH 2100

2400

2700

3000

3200

3500

3700

4000

4200

4400

4600

4800

5000

Рис.3.49. Визуализация потока в поперечном сечении канала H/D=1 со сферическими выемками различной относительной глубины h/D в 15 ряду (относительная координата X/H=12,14) в различные моменты времени при изменеии

ReH [37]

137

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

положение центральной большой первичной пары вихрей, которая генерируется в центральной части каждой выемки. Спектр на рис.3.51 свидетельствует, что частота пульсации первичной пары вихрей является приблизительно 8,0 Гц. Это подтверждается результатами визуализации потока при различных числа Рейнольдса – промежуток времени, равный приблизительно 0,125с соответствует появлению, выбросу и исчезновению первичной пары вихрей и меньших вихревых пар по краям (с обеих сторон) выемки. Неустойчивость первичных вихревых пар – результат периодического обновления, связанного с относительно крупномасштабными неустойчивыми событиями вторичного потока около рассматриваемой поверхности. На рис.3.51 также показано малоамплитудные пики, кратные 8 Гц, которые происходят из-за гармонических колебаний, связанных с поведением первичных пар вихрей. Локальные максимумы спектров при частотах меньших 8 Гц связаны с действием прочих крупномасштабных неустойчивостей вторичного потока около рассматриваемой поверхности.

Частота пульсации пар вихрей от боковых кромок выемки составляет приблизительно 6,5 Гц. Гармонические пики также очевидны и их период составляет приблизительно 14.0 Гц.

Рис.3.52а–g иллюстрирует результаты измерений и визуализации потока. На нем представлены значения осредненных по времени измерений параметров потока в поперечном сечении с координатой X/D=6,27 в седьмом ряду по ходу течения при h/D=0,1; H/D=1,0; ReH=20000 и Tu=0,033. Анализ представленных данных показывает, что распределения скорости ux и полного давления в канале являются характерными для течения в канале и их изменения обусловлены формированием пограничных слоев на противоположных стенках каналов. На графиках распределения статического давления, составляющих скорости uy и uz

138