Монография Попов т3

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Пульсации потока за углублением при х/D=1,23 становятся заметными и регулярными только при RеD>8000; где они резко усиливаются, достигая максимума при RеD=16920. В целом, в области RеD=10000...17000 число Струхаля на 40...60% меньше, чем для углубления, расположенного при х/D=1,23. При RеD>24000 практически нет различия в величине числа Струхаля для углубле-

ния, расположенного на длине х/D=1,23

ся, создавая структуру замедленно-ускоренного потока над лункой вдоль линии симметрии, что создает благоприятные условия для теплообмена с коэффициентом аналогии Рейнольдса, превышающим единицу [20]. Для углубления h/D=0,13 статическое давление на дне углубления около передней кромки ниже, чем перед углублением (Pа<Po). Для h/D=0,07 отрицательная (по сравнению с атмосферным) зона статического давления охватывает только 30% длины углубления, в то время как для углубления с h/D=0,5 эта зона занимает уже около

80% [30].

Максимум положительного значения статического давления расположен около задней кромки углубления, после чего статическое давление резко падает

149

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

вследствие отрыва потока и становится снова отрицательным. Эти данные были получены для ReD<165000. При более высоком значении числа ReD (330000) статическое давление отрицательное на всей поверхности углубления с минимумом давления в «полюсе» вихря [30]. Таким образом, глубокое сферическое углубление (h/D=0,5) формирует значительный эффект «всасывания», который может использоваться на практике для увеличения подъемной силы поверхности и в других приложениях. В целом, потери давления в углублении увеличиваются с ростом глубины выемки и числа Рейнольдса.

Основной вывод, полученный в исследованияхописнных в работах [38,39], состоит в том, что конфигурация углубления, число Рейнольдса ReD и толщина пограничного слоя перед ним играют существенную роль в величине пульсаций потока за углублением. Для получения максимальных флуктуации сферическая конфигурация углубления является предпочтительной в облас-

ти ReD>13000.

Кроме обтекания одиночных сферических выемок в работе было уделено особое отдельное внимание системе выемок на плоской поверхности.

На первом этапе исследований исследовался одиночный ряд сферических выемок. Безразмерная глубина h/D составляла 0,10, а передняя кромка располагалась на расстоянии 62,6 мм (х/D=1,23) от начала пластины. Поперечный шаг между центрами углублений S2 составлял 76,2 мм, а безразмерный шаг S2/D=1,50. В соответствии с ранее полученными экспериментальными данными относительная толщина пограничного слоя перед углублениями в первом ряду на линии симметрии составляла 0,44 при RеD=5220 и 0,28 при RеD=16240.

Контрольное углубление для наблюдений и измерений находилось в середине ряда между двумя углублениями с левой и правой стороны. Особенно-

лублениями. Измерение профиля скорости проводилось на линии симметрии углубления (z=0), а также на расстояниях z=D/4 и z=D/2, удаленных от оси симметрии в поперечном направлении.

При малой скорости потока RеD=3310) в углублении формируется вихревая структура в форме периодически возникающего и разрушающегося парного вихря (рис.3.71). Парный вихрь возникает примерно каждые восемь секунд и его разрушение сопровождается выбросом вихревой массы в основной поток, Первоначально линии тока S1 сворачиваются и формируют плоский парный вихрь (рис.3.71), а соударение двух колец вихря с центральной линией тока С приводит к разрушению парного вихря, как показано на рис.3.71в. Эта вихревая структура затем уносится вниз по потоку (рис.3.71г). В дальнейшем структура потока вновь возвращается в первоначальное состояние (рис.3.71а) с формированием новой структуры парного вихря. Такая периодически повторяющаяся вихревая структура является достаточно устойчивой во времени.

150

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Рис.3.71. Нестационарная вихревая структура в сферическом углублении в одиночном ряду. Выпуск красителя перед углублением. ReD=3310. Текущее время: а, б, в и г – 2, 4, 6 и 8 сек, соответственно.

Рис.3.72. Одиночный ряд сферических углублений [39]: а – ReD=10930; б – 16870. Выпуск красителя перед углублением

При RеD >3310 структура потока близка к структуре в одиночном сферическом углублении, однако границы характерных структур потока, характеризуются несколько другими числами Рейнольдса. Слабые флуктуации на центральной линии тока возникают между RеD=3310 и 4260 с возникновением области отрыва потока при RеD=4260, Начиная с RеD=5130, в углублении возникает попеременно чередующееся (по часовой стрелке или против нее) вращение всей массы, которое прекращается при RеD=6440. Это число Рейнольдса значительно меньше, чем для одиночного сферического углубления, где чередующееся вращение возникает при RеD=6710 и завершается при RеD=12200. Парный вихрь, возникающий при RеD=6440, достаточно устойчив и разрушается только при RеD=23450, при этом интенсивность вращения компонентов парного вихря значительно сильнее, чем для одиночного углубления.

151

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

При RеD>6440 обе линии тока S2 начинают колебаться, и структура потока становится симметричной относительно центральной линии. В случае системы выемок симметрия отрывной зоны наступает при числах Рейнольдса, значительно меньших, чем для одиночного углубления. При RеD=7940 поток за углублением становится турбулентным (рис.3.72а). Ширина

заметно втягиваются внутрь углубления и при ReD=16870 вследствие значительного увеличения зоны отрыва потока элементы парного вихря уже имеют наклонный характер (рис.3.72б), а его разрушение происходит при ReD=23450.

Число Струхаля, отражающее флуктуации потока за углублением в ряду, примерно на 10% больше, чем для одиночного сферического углубления (рис.3.73). Таким образом, в отличие от цилиндрической конфигурации наличие соседних углублений оказывает значительное влияние на структуру потока внутри сферического углубления и величину объемных пульсаций потока за ним.

Визуализация потока показала, что соседние углубления не оказывают заметного влияния на глубину зоны отрыва на линии симметрии. Однако они воздействуют на поведение линий тока S1 и S2 и, тем самым, изменяют форму зоны отрыва, делая ее уже по сравнению с зоной отрыва для одиночного углубления. На рис.3.74 и рис.3.75 дается сравнительный анализ экспериментальных данных для сферического углубления в ряду и одиночного сферического углубления. Отрыв потока на линии симметрии возникает в диапазоне изменения числа ReD от 3000 до 4000.

Глубина зоны отрыва потока примерно одинакова для всех углублений (одиночных и в ряду) до ReD=10000, при этом значительный рост зоны отрыва наблюдается в области между ReD=5000 и ReD=7000. В области ReD=7000...10500, несмотря на рост числа Рейнольдса, глубина зоны отрыва сохраняется примерно постоянной. При z=±0,4 (рис.3.75) для одиночного ряда сферических углублений отрыв потока имеет место при RеD>8000.

152

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

чае контролировалась структура потока перед углублением второго ряда, а во втором за углублением первого ряда (в пространстве между углублениями второго ряда). Кроме того, пять отверстий сделаны на дне углубления второго ряда для визуализации внутренней структуры.

постепенно нарастают, причем линия тока S2 все более заметно втягивается внутрь углубления. Анализ структуры линий тока показал, что на линии S2 поток турбулентный при ReD=9480, а на линии S3 - при ReD=23450. На линии S1 ламинарная структура сохраняется вплоть до ReD=23450.

Рис.3.78. Второй ряд сферических углублений. ReD=3310. Выпуск красителя перед углублением (а) и внутри него (б) [39]

При ReD=5490 в углублении возникает структура потока, характеризующаяся накоплением массы в центре (рис.3.79) и периодическими выбросами в приосевой области. При дальнейшем увеличении скорости накопление массы в углублении и частота ее выбросов во внешний поток нарастают. При ReD=7940

154

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

вого ряда, эта зависимость представляет собой кривую с максимумом, причем максимальное значение числа Струхаля достигается примерно при том же значении числа Рейнольдса, что и для углубления в первом ряду.

Пульсации за углублением второго ряда возникают только при ReD>4200, причем во всем диапазоне чисел Рейнольдса, особенно при ReD<12000, эти пульсации намного меньше пульсаций первого ряда. Таким образом, вихри, генерируемые первым рядом, подавляют пульсации углублений второго ряда бо-

ряда (рис.3.83б), внутри углубления (отверстия не показаны) и между углублениями третьего ряда (три отверстия; рис.3.83в).

Относительный шаг между углублениями в продольном Sx и поперечном Sz направлениях составлял 1,50 и 1,73, соответственно, а плотность размещения углублений γ=0,25π/( Sx Sz )

– около 30%.

На структуру потока в углублении третьего ряда оказывают влияние следы от углублений первого и второго ряда вверх, а также соседние углубления в третьем ряду. Таким образом, вихревая структура первого и второго ряда взаимодействует с вихрями, генерируемыми третьим рядом углублений.

При малой скорости потока (ReD=3310) над углублением наблюдаются слабые колебания

линий тока, сопровождающиеся истечением параллельных линий тока из уг-

156

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

лубления. При ReD=4170 эти колебания увеличиваются, а центральная линия тока закручивается и терпит разрыв. Внутри углубления происходит накопление массы жидкости с периодическим ее выбросом в центральной области углубления. При ReD=9350 за углублением возникает турбулентность.

При дальнейшем увеличении скорости потока колебание струй над углублением продолжают нарастать, и после ReD=7950 происходит разрыв центральной струи и возникновение турбулентности на боковой струе, находящейся в следе струи второго ряда. При ReD=9350 происходит полный переход к турбулентности за углублением третьего ряда с широким струйным следом, превышающим его диаметр. С дальнейшим ростом скорости поток за углублением представляет собой картину типичного «турбулентного следа».

С ростом скорости потока неустойчивость над углублением нарастает. При ReD=15200 происходит переход к турбулентности на линии S2, а на линии S1 ламинарное течение сохраняется до ReD=23450. По-видимому, расстояние между задней кромкой первого ряда и передней кромкой третьего ряда (х/D=2,50) является достаточным для релаксации потока и перехода к ламинарному течению.

На рис.3.84 представлены данные для третьего, а также первого и второго ряда сферических углублений. Пульсации в третьем ряду превышают пульсации второго ряда в широком диапазоне изменения числа Рейнольдса

(до ReD=12400). Число ReD,

при котором достигается максимальное значение числа Струхаля, смещено в область меньших чисел Рейнольдса. В области ReD>12400 вновь проявляется закономерность, когда объемные пульсации

нижележащих рядов подавляются пульсациями вышележащих углублений. Переход к турбулентности в системе углублений на поверхности обу-

словлен многими причинами, среди которых основными являются отрыв потока в углублении и взаимодействие внешнего потока с углублениями. В табл.3.2 приведены данные по числу Рейнольдса возникновения турбулентности для системы сферических выемок.

В итоге, рассмотрение работ по визуализации обтекания единичных сферических выемок и их систем позволяет выделить основные режимы:

1.ламинарное безотрывное обтекание, когда линии тока параллельны контуру выемки.

2.ламинарное течение с присоединением потока в выемке.

157

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи

вканалах теплообменного оборудования

3.ламинарное течение без присоединения потока в выемке.

Однако необходимо продолжать работу по выяснению эволюции вихревых структур в сферических выемках и их воздействию на основной поток и объяснения связи показанных в данном разделе многообразия форм вихрей.

По данным отдельных авторов, например, А.П.Козлова и В.С.Кесарева обтекание сферических выемок не похоже на обтекание других тел и препятствий. По утверждению группы В.И.Терехова в двумерных траншеях и выемках другой формы наблюдаются те же процессы, что и в сферической выемке. Опыты по визуализации, проведенные А.А.Халатовым, Ф.Лиграни и др. на сферических, цилиндрических и выемках других форм показали полную общность процессов в них.

По механизму воздействия на поток между сферическими выемками, системами поперечных выступов или выемок [42] и другими телами обтекания [41,43,44] имеется множество аналогий.

В этой связи можно высказать мнение, что сферические выемки не могут являться каким либо отдельным классом интенсификаторов, а являются таким же поверхностным интенсификатором теплообмен как, например, поперечные выступы или канавки. Этому свидетельствуют и уровни достигаемой интенсификации теплообмена и повышения гидросопротивления.

158