Монография Попов т3

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

уже хорошо видны результаты воздействия сферической выемки на поток. Видны зоны с повышенными пульсациями поперечных составляющих скорости. Границы зоны располагается в области Z/D= ±0,3. При этом центральный вихрь создает пульсации uy, а боковые кромки – uz.

Распределения осредненного энергетического спектра (PSD) колебаний продольных скоростей для случая h/D=0,3 представлены в рис.3.53. Эти специфические профили измерены выше поверхности с глубокими выемками (h/D =0,3) при Rе=10000 в точках с координатами X/D=6,27, Y/D=0,05 и Z/D=0 и 0,5.

В обоих случаях на рис.3.53 видно, что энергетическийо спектр (PSD) колебаний продольных скоростей уменьшается при увеличении частоты, что типично для сильно турбулизированных потоков. Поведение представленных энергетических колебаний скорости потока при различных частотах объясняется наличием когерентного организованного движения теплоносителя в районе выемки, включающем рост, выброс и колебания различных вихревых пар.

На рис.3.53 также видно, что профили PSD имеют несколько явных пиков, которые представляют собой более высокие энергетические уровни при определнных частотах. Первый пик с преобладающей энергетической силой виден при частоте 7.3 Гц на профиле РSD при при Z/H=0 и связан с частотой потери первичного вихря, тогда как частота, связанная с колебанием периферийной вихревой пары (при Z/H=0.5 на профиле PSD) – 4,9 Гц.

Зависимость безразмерной частоты вихреобразования от числа Рейнольдса при различных h/D=0,1, 0,2 и 0,3 показана на рис.3.54. На графике рис.3.54а точка при Re=4000 получена по результатам визуализации потока. Данные на рис.3.54a даны для Z/H=0 и представляют собой частоты, связанные с воздействием первичной вихревой пары около центральной части центральной выемки в седьмом ряду. Частоты изменяются от 7 Гц до 9 Гц. На рис3.54б данные получены для Z/H=0,5 и представляют собой частоты колебания, связанные с периферийными парами вихрей. В пределах разброса данных, частоты на рис.3.54б в не зависимости от глубины выемок находятся в диапазоне от 5 Гц до 7 Гц.

В работе [37] представлен обзор осредненной по времени структуры потока для глубоких углублений с h/D=0.3 при Re=20000 (рис.3.55a–g). Данные, представленные на рис.3.55a–e получены с использованием датчика Пито с пятью отверстиями, тогда как данные, данные на рис.3.55g получены с использованием термоанемометра. Эти осредненные по временем данные получены для более высоких чисел Рейнольдса, чем релизованные при визуализации потока.

Анализ рис.3.55a–с показал наличие около поверхности со сферической выемкой вторичных течений, описанных выше. Осредненные во времени распределения скорости uz на рис.3.55e показывает наличие областей с положительные и отрицательные величинами в области за выемкой с обеих сторон от нее. Области с положительными и отрицательными по направленности завихренностями связаны с противовращающимися вихрями в пределах первичной пары вихрей и являются с наиболее очевидными на рис.3.55f. Качественно по-

139

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

качественно подобны и численно практически равны для всех трех глубин выемок. Значения на рис.3.56a-b показывают. что наибольшие потери продольной скорости и наибольшие потери полного давления наблюдаются около стенок с выемками, по сравнению со стенкой без выемок. Кроме этого эти величины увеличиваются с увеличением относительной глубины выемки. Наибольшвая завихренность потока логично наблюдается около поверхности с выемками

(рис.3.56f).

а б Рис.3.54. Зависимость безразмерной частоты вихреобразования от числа Рей-

нольдса при различных h/D=0,1, 0,2 и 0,3 в X/D=6.27, Y/D=0.05: a – Z/D=0,0; b – Z/D=0,5.

Рис.3.57a–d показывает осредненные профили параметров потока в поперечном сечении. Здесь, изменения нормализованного статического давления (рис.3.57c) и нормализованной нормальной скорости uy (рис.3.57d) по Z/H грубо можно считать равными для всех трех глубин выемок.

Значительные изменения скорости uх (рис.3.57a) и полного давления Pа (рис.3.57b) наблюдаются при увеличении глубины выемок, подобно данными, представленным на рис.3.56. Полученные данные в очередной раз доказывают существование описанной при визуализации потока картины течения.

На рис.3.58 представлено изменение максимальных значений завихренности в зависимости от числа Рейнольдса и глубины выемок. максимальных значений завихренности определяются в процессе осреднения по времени соответствующих данных, подобных представленным на рис.3.55f. Рис.3.58 показывает, что максимальные величины завихренности увеличиваются при увеличении чисел Рейнольдса для всех трех значений h/D=0,1, 0,2 и 0,3. Самые высокие максимальные величины завихренности при каждом числе Рейнольдса связаны с использованием наиболее глубоких выемок (h/D=0.3), что означает, что наиболее сильные вихревые структуры генерируются более глубокими выемками.

141

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Величины значений вихревой циркуляции представлены на рис.3.59. Видно, что эти величины изменяются в зависимости от ReH и h/D подобно осредненным по времени максимальным значениям завихренности потока. Величины вихревой циркуляции определены как интегралы значений завихренности потока в области с расположения половины первичной пары вихрей.

Рис.3.58. Изменение осредненных по времени максимальных значений завихренности потока при ReH=15000 для трех глубин выемок h/D. Данные представлены для поперечного сечения с координатой Х/Н=6,27 вниз по течению за выемкой в 7 ряду при

H/D=1,0 [37]

Рис.3.60 показывает осредненные профили продольного компоненты напряжения Рейнольдса при числе Рейнольдса Rе=15000 для выемок с h/D=0.1;

0.2и 0,3.

Вкаждом сечении по высоте канала (различных отношениях Y/H), величины этих напряжения увеличиваются с увеличением относительной глубины

143

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

выемок, и особенно сильно вблизи стенки с выемками (Y/H=0…0.5). Это дополнительно свидетельствует о том, что турбулентность в данной области увеличивается с увеличением глубина выемок, и это совпадает с результатами по циркуляции и завихренности, представленными на рис.3.58 и 3.59. Значения напряжения также увеличиваются при уменьшении Y/H. Распределения напряжений ведут себя подобно в верхней части канала при изменении Y/H от 0.5 до 1. Это указывает, что влияние выемок распространяется на выше половины канала (равного половине диаметра выемки).

– h=5,08 мм, что обеспечивало соотношение h/D=0,1 (рис.3.61 и табл.3.1). Визуализация течения в одиночной выемке и за ней в работе производи-

лась путем впрыска в поток в выемке и перед ней красящего вещества в пяти сечениях (рис.3.62). При этом возникали следы красящего вещества, обозначемые как С–линия (по центральной оси выемке), S2–линия (по боковым кромкам выемки) и S1–линия (промежуточное сече-

ние между C и S2).

При низких скоростях (ReD=3320– 4170) все линии тока над одиночным углублением практически параллельны. За выемкой возникают лишь незначительные колебаниями на уровне 1–2Гц по центральной оси выемки (рис.3.62a) и распространяются на незначительное рсстояние от задней кромки выемки. При увеличении числе ReD до 5125 возникает отрыв потока на передней кромке выемки и зона присое-

Рис.3.61. Схема экспериментальдинения потока к выемки в зоне нижнего по ного участка: пластина с углубтечению края выемки. Площадь этой зоны

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

числах ReD более чем 4170, частота колебания C-линии за выемкой постоянно продолжали увеличивалась.

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

линии становятся втянутыми внутрь выемки. Таким образом между числами ReD=12200 и 21000, поток в выемке вовлечен в осесимметричный вихрь. От тыльной кромки выемки по ходу течения в основной поток периодически выбрасываются массы вещества из выемки. Это является источником объемных колебаний основного потока.

Рис.3.62d показывает, что, хотя область вихревого следа вниз по течению за выемкой шире, чем границы поверхности выемки, источником колебаний можно считать заднюю кромку шириной только ≈0.75D. Наконец при ReD=23450, зона присоединения потока в выемке увеличивается очень значительно, что занимает практически весь объем, вытесняя парный вихрь. За выемкой видны только хаотические линии тока. Максимальная частота объемных колебаний потока за выемкой достигает значений 13Гц (при ReD=17870).

Длина зоны рециркуляции L в выемках в исследованиях [38,39] измерялась в двух различных сечениях – по C-линии и S1-линиям (на расстоянии от центральной продольной оси выемки по отношению к направлению течения 0,25D). Длина зоны измерялась как расстояние между точкой отрыва потока и вниз по течению по выемке. Результаты измерений показаны на рис.3.63 и 3.64

Поведение линий на графике практи-

146

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

чески совпадет с рис.3.64 для центральной С–линии.

Рис.3.65 показывает зависимость локального числа Струхаля Sh от числа Рейнольдса ReD. Для рассмотренного случая кривя зависимости числа Струхаля имеет максимальное значение при некотором числе Рейнольдса. Число Рейнольдса, соответствующее Shmax для сферической выемки находится в районе ReD=18000. Увеличение в объемных колебаниях потока наблюдается позже, чем ламинарно–турбулентный переход в потоке (ReD=5200). Это заключение действительно для диапазона изученных параметров выемок и для отношений h/D=0,25–0,30.

Эксперименты, выполненные в работе [40], показали, что при относительно низких числах Рейнольдса (ReD<24000) нестационарные трехмерные вихревые структуры могут возникать и за одиночным «мелким» сферическим углублением (h/D=0,1). Однако, в отличие от случая больших чисел Рейнольдса, этот тип нестационарности представляет собой флуктуации потока объемного типа и обусловлен неустойчивостью течения и возникновением отрыва потока в углублении. Экспериментальные данные, представленные на рис.3.66, показывают, что в одиночном сферическом углублении отрыв потока возникает при ReD≈3 500, причем зона отрыва монотонно увеличивается до ReD=23500.

а. б.

Рис.3.66. Картина течения в мелком сферическом углублении (h/D=0,1 и x/D=1,23): a – ReD=9340; б – ReD=17870

Наиболее быстрый рост отрывной зоны имеет место в диапазоне чисел ReD от 5000 до 10000. При ReD>6700 внутри углубления возникает периодически чередующееся (по часовой стрелке или против нее) медленное вращение потока с миграцией зоны отрыва потока между линией симметрии углубления и его «верхней» кромкой (рис.3.66а). Эта несимметричность исчезает при ReD=12200, а пульсирующая с высокой частотой зона отрыва становится симметричной относительно линии симметрии углубления (рис.3.66б). Парный вихрь возникает при ReD=7900 и практически разрушается при ReD=23450, когда зона отрыва внутри углубления становится достаточно глубокой. Слабые флуктуации линий тока (дорожки Кармана) за углублением возникают при ReD≈3500 (одновременно с отрывной зоной в центре) и достигают максимума (f=13,4Hz) при ReD≈17000 (рис.3.67а). Такое высокое значение числа Струхаля

147

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

указывает на значительную нестационарность потока и нелинейную связь между средней скоростью и объемными флуктуациями потока.

Увеличение толщины пограничного слоя перед углублением существенно снижает пульсации потока за сферическим углублением (рис.3.67). Для сферического углубления влияние толщины пограничного слоя исчезает при

ReD>24000.

а

б

При малой скорости потока и вплоть до RеD=10480 течение за углублением при х/D=1,23 полосовое (рис.3.68а), которое при ReD=11430 преобразуется в несимметричный след в верхней части углубления (рис.3.68б). Несимметричный след с небольшой отрывной зоной наблюдается до RеD=16920, т.е. достаточно долго по сравнению со сферическим углублением при х/D=1,23, а полностью развитое симметричное течение за сферическим углублением формируется только при RеD>17000 (рис.3.68в), В целом, глубина отрывной зоны внутри сферического углубления при х/D=4,70 существенно меньше, чем для углубления при х/D=1,23. Максимальная глубина зоны отрыва L/D в этом случае составляет 0,35, т.е. она почти в 2 раза меньше, чем для углубления при х/D=1,23 (рис.3.69).

148