Монография Попов т3

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

взаимодействовать с противоположной поверхностью – наружной стенкой кольцевого зазора. Это взаимодействие, судя по полученным результатам, но-

увеличивается примерно вдвое [58]. Таким образом, с уменьшением зазора в случае неудачного выбора геометрии рельефа потери на трение но сравнению с гладкой поверхностью резко возрастают.

При исследовании теплогидравличвских характеристик при поперечном обтекании шахматного и коридорного пучков труб исследовались трубы с выемками наружным диаметром 18 мм. Относительный шаг трубок составлял 1,32 по фронту и 2,0 по глубине. В каждом пучке обогревались электрическим током две трубки, одна из которых располагалась в первом ряду, а вторая – в глубинном.

В экспериментах было зафиксировано снижение гидравлического сопротивления в пучках труб с выемками по сравнению с гладкими для коридорного пучка на 25% и для шахматного пучка на 35%. Последние данные приведены на рис.3.96. Таким образом, для шахматного пучка эффект снижения сопротивления при замене гладких трубок на трубы со сферическими выемками проявил-

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

сти теплообмена. Изготовленные для проведения экспериментов трубы имели наружный диаметр 40 мм и толщину стенки 1,5 мм. При этом для проведения опытов использовались участки труб, каждый из которых имел длину примерно 2 м. Одни из них имели выемки на внутренней поверхности и другие – на наружной. На листы, из которых сваривались трубы, был нанесен рельеф, представлявший собой правильную систему сферических выемок диаметром около 4 мм и глубиной 0,5 - 0,6 мм. Однако, в процессе формирования цилиндрической стенки трубы выемки деформировались за счет смятия их донной части, которой соответствуют вершины ответных сегментных выпуклостей, образовавшихся на другой стороне листа. Согласно приближенным оценкам уменьшение глубины выемки при этом составляло в среднем около 0,2 мм, то есть порядка 35%. Эти предварительные замечания необходимо сделать, поскольку отмеченные отклонения в геометрии естественно повлияли на эффективность исследуемой поверхности. Опыты были проведены в интервале чисел Рейнольдса Re=(15–80)103. При этом нижняя граница, как уже упоминалось выше, определялась возможностями замера потерь давления на опытном участке.

На рис.3.97 представлены опытные данные по определению гидравлического сопротивлению. Коэффициент сопротивления для трубы с выемками превышает соответствующий коэффициент для гладкой трубы примерно на 5-10%.

Исследование гидравлического сопротивления в каналах со сферическими выемками проведено в работе Н.К.Бурджесса и Ф.М.Лиграни [60].

Рис.3.98. Геометрии исследованных поверхностей со сферическими выемками

[60]

Исследования проведены в плоских каналах с односторонним нагревом (qw=cost) при течении воздуха. На одной из сторон канала были нанесены сферические выемки диметром D=5,08 см и глубиной h от 0,508 до 1,524 мм, что обеспечивало относительные глубины выемок h/D в пределах от 0,1 до 0,3. Относительная высота канала составляла H/D=1,0. Схема расположения выемок на поверхности канала приведена на рис.3.98. Диапазон изменения чисел Рейнольдса в экспериментах составлял ReH=9940–74800.

170

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

На рис.3.99 показано, что отношение фактора трения в интенсифицированном и гладком каналах при h/D=0,1…0,2 и Н/D=1,0 являются практически постоянными при изменении числа ReH от 9540 до 74800. Для каналов с выемками при h/D=0,2 и Н/D>1,0 наблюдается значительный рост фактора трения в интенсифицированном канале по сравнению с гладким до 2,7 раз при ReH=74800. Для каналов с h/D=0,3 и Н/D=3,0 прирост трения достигает 3 раз

уже при ReH=30000.

Влияние определяющих режимных параметров потока и конструктивных параметров интенсификаторов на коэффициент трения математически описаны выражением:

f / f0 =1,0 + A(ReH )B .

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

средние значения прироста трения возрастают с 1,28 до 1,57 раз при росте степени турбулентности с 0,033 до 0,107 (рис.3.100).

Х.-К. Мун и др. [61] выполнили детальное экспериментальное исследование потерь давления в канале с Н/D=0,37...1,49 и шахматным расположением сферических углублений на одной стороне прямоугольного канала. В диапазоне изменения числа RеH от 1200 до 60000 изучены 15 рядов глубоких углублений с h/D=0,20. Увеличение сопротивления по сравнению с гладким каналом в этом же диапазоне составило 1,6...2,0. Подробные данные по исследованию потерь давления в прямоугольном канале (Н/D=2.7.,.4,0) с 31-м рядом сферических и цилиндрических углублений приведены также в работе С.Мун и С.Лау [65]. Глубина выемок в работе h/D составляла от 0,13 до 0,25, а число RеH изменя-

лось от 10000 до 60000.

диаметру фрезы. Диаметр выемки составляет приблизительно 2/3 от диаметра фрезы (8,24 мм). Испытательный канал позволяет проводить исследования при трех различных высотах канала - 6,35 мм (0.25"), 19,1 мм (0,75") и 39,1 мм (1,5"). Данные значения высоты канала позволяют получить относительные

172

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

глубины выемки (H/h) – 1,33, 4, и 8, соответственно. Число Рейнольдса, рассчитанное по диаметру образующей сферы изменялись в опытах в диапазону

Re=10000-30000.

Анализ полученных данных показывает, что при одностороннем рельефе сферических выемок в плоском канале его гидросопротивление увеличивается в 1,3 раза по сравнению с гладким каналом (рис.3.102) при Re=17000 и в 2 раза при Re=37000. При двухстороннем нанесении выемок гидросопротивление увеличивается по сравнению с гладким каналом в 1,75 раза при Re=17000 и в

3,2 раза при Re=37000.

В работе А.А.Халатова и др [39] приводятся результаты экспериментального исследования гидравлического сопротивления в «узком» канале со сферическими углублениями на обеих поверхностях. Расход воздуха в экспериментах изменялся от 0,5 г/с до 1,5 г/с, входная температура воздуха варьировалась от

50 до 120°С.

\

Рис.3.103. Схема экспериментального канала и поверхность со сферическими углублениями [39]

«Узкий» прямоугольный канал (рис.3.103) имел высоту Н = 2,1 мм, ширину – 53...56 мм и длину – 152...156 мм. Диаметр и глубина углублений составляли 12 мм и 2,4 мм (h/D=0,2), а плотность углублений γ=67% ( S1=0,7 –

продольный шаг; S2 =1,5 – поперечный шаг), 55% ( S1=0,83; S2 =1,67) и 40% ( S1=1,0; S2 =2,0). От 13 до 17 рядов сферических углублений с острой кромкой

(в зависимости от плотности у) располагались на обеих поверхностях канала в шахматном порядке. Отношение Н/D составляло 0,175, при котором вихри, выходящие из отдельных углублений, не поступают в ядро потока, а присоединяются к стенке канала. Опыты выполнены при изменении числа Рейнольдса RеH от 770 до 26500. Это соответствовало ламинарному режиму в гладком канале такой же высоты (2,0 мм).

173

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Приведенный местный коэффициент сопротивления ξ/ ξ0 существенно зависит от числа Рейнольдса и γ.

При γ=67% отношение ξ/ ξ0 достигает максимальной величины – 2,25. В области RеH<10000 отношение ξ/ξ0 увеличивается. При RеH>10000 отношение f/f0 становятся примерно одинаковыми. Изменение коэффициента гидравлического сопротивления от числа Re и γ показано на рис.3.104.

этом диаметр выемок составил 1,33 мм, а глубина – 0,142 мм.

В диапазоне чисел Рейнольдса Re=250–700 наблюдалось ламинарное течение и гидросопротивление всех трех исследованных геометрий совпадало

174

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

(рис.3.105). При Re=700–4000 гидросопротивление канала с двухсторонним расположением выемок имеет слабое отклонение в сторону увеличения от зависимости ξ~Re–1. При Re=4000–10000 сопротивление данного канала посто-

янно. При числах Re>10000 сопротивление канала с двухсторонним расположением выемок снижается пропорционально Re–0,115.

В канале с односторонним расположением выемок ламинарнотурбулентный переход более затянут и заканчивается при Re=2000. Коэффициент гидросопротивления канала с односторонним расположением выемок существенно отличается от рассмотренного выше двухстороннего случая начиная с Re=9000.

Для практических инженерных задач имеет значение в основном получение зависимостей по гидравлическому сопротивлении. Рекомендации по расчету гидросопротивления в каналах со сферическими выемками при различных определяющих конструктивных и режимных параметров были рассмотрены выше.

Однако для объяснения механизмов интенсификации теплообмена необходимо более детально знать распределения гидродинамических характеристик

всферической выемке и ее окрестности.

Вработе А.В.Митякова, В.Ю.Митякова и С.А.Можайского [67] проведено исследование распределения статического давления в сферической выемке. Исследования проведены на

тельными глубинами 0,14 и 0,35. На рис.3.106 показан участок пластины со сферической выемкой и схемой размещения отборов давления.

Перепад давления измерялся каждым отбором (рис.3.106). Замеры производились при двух положениях пластины (путем ее поворота). Измерения производились на обогреваемой и холодной модели. Распределения давления по поверхности пластины со сферической выемкой относительной глубины 0,14 показаны на рис.3.107. Видно, что форма кривых зависит от температуры.

Более детальное исследование гидродинамики обтекания сферической выемки приведено в работе В.С.Кесарева и А.П.Козлова [23,24]. Исследования проводились в аэродинамической трубе с рабочим участком прямоугольного течения 202×402 мм. На широкой стенке рабочего участка была установлена модель полусферического углубления диаметром (D= 150 мм). Число Рейнольдса, вычисленное по скорости набегающего потока w0=18,5...33,6 м/с и по

175

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

диаметру углубления, составляло (18,2.. .33,1)104. Интенсивность турбулентности невозмущенного потока в трубе 0,5%. Для турбулизации 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.

Рис.3.107. Распределение статического давления вдоль оси выемки [67]: а – участок пластины до выемки имеет длину 35 мм; б – участок пластины до выемки имеет длину 130 мм

Рис.3.108. Распределение параметров пристенного течения внутри полусферического углубления [23,24]: Ср=2(р–р0)/(ρw2)∞

176

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

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

Как видно из рис.3.108 локальные значения осредненной величины поверхностного трения τ внутри углубления практически во всех точках меньше, чем трение на поверхности перед углублением τ0 . В области перемещения

лубления составляют более 0,4 τ. С увеличением интенсивности турбулентности происходит возрастание τ практически по всей поверхности углубления. Уровень пульсаций трения слабо зависит от интенсивности турбулентности. Статическое давление р на поверхности углубления везде ниже статического давления р0 на поверхности перед углублением.

Наиболее эффективно влияние Tu∞ проявилось на характере и частоте f перемещений смерчеобразного вихря по поверхности выемки [25]. Для регистрации f использовали датчик трения, чувствительный к мгновенному изменению направления потока. В экспериментах его устанавливали в центральном сечении выемки, в область перемещений эпицентра вихря. Причем если эпицентр находился слева от датчика, то термоанемометр регистрировал положи-

Sh=fd/w∞ составляет 0,079.

Следует отметить, что в случае двухмерного отрыва наблюдаются приблизительно такие же частоты пульсаций давления [70]: Sh=0,03…0,09. С увеличением Tu∞ от 0,005 до 0,15 частота перемещений вихря уменьшается от 16 до 8 Гц, а при Tu∞ =0,198 – до 0,13 Гц. При Tu∞ >0,19 эпицентр вихря перемещается в «ключевом» режиме. Это означает, что он находится в левой или правой половине выемки достаточно длительное время (несколько секунд), а затем резко изменяет свое положение на противоположное.

Для статистической оценки характера перемещений эпицентра вихря были измерены функции плотности распределения вероятности пульсаций трения

P (τ / τ / 2 ) в области перемещений эпицентра вихря (рис.3.109). При этом в случае Tu∞=0,005 (рис.3.109а) вихрь все время перемещался по поверхности выемки. При Tu∞=0,198 (рис.3.109б) функцию Р измеряли только когда эпицентр вихря находился слева или справа от датчика.

Согласно полученным результатам нахождение эпицентра вихря в левой или правой части выемки равновероятно при всех значениях Tu∞, хотя распределение τ′ при Tu∞, равном 0,005 и 0,198, различно: в первом случае оно равновероятно, во втором описывается Гауссовым законом.

На рис.3.110 приведены гистограммы периода пребывания эпицентра вихря в левой и правой частях выемки при Tu∞ = 0,198. Этот период ∆t определяли по показаниям датчика трения. Общее время измерения составило 41,3 мин.

177