Монография Попов т3

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи

вканалах теплообменного оборудования

ачисло Рейнольдса, рассчитанное по эффективному диаметру, было равно

Reэ = vdэф ν = 3,62 104 . Выбор данного расходного режима был обусловлен

тем, чтобы перед каверной было сформировано течение с развитым турбулентным профилем скорости.

На первом этапе экспериментального исследования В.И. Терехов, С.В. Калинина, Ю.М. Мшвидобадзе в работе [30] проводили измерения распределения давления на поверхности. Полученные данные для двух скоростей течения v0 =1,0 и 1,5 м/с показаны на рис.3.111. В качестве точки отсчета на этом ри-

сунке взято давление P0 на поверхности в сечении, отстоящем от каверны на

расстоянии 35 мм вверх по потоку, где, как будет показано ниже, влияние каверны на течение не сказывается.

v0 =1,51м/с; 2 – v0 =1м/с и распределение коэффициента давления вдоль кана-

ла (б): 1 – по опытам [55], 2 – по формуле Блазиуса, 3 – обобщенная аппроксимация данных настоящей работы

Как видно из рис.3.111а, распределение давления носит сложный характер. За передней кромкой каверны, где согласно визуальным наблюдениям происходит отрыв потока, давление снижается. Затем по мере продвижения вдоль образующей каверны оно начинает возрастать и достигает максимума в области соударения струйного пограничного слоя с поверхностью. Эта область характеризуется нестационарными выбросами жидкости во внешнее течение. Давление, измеренное непосредственно на задней кромке, достигает больших отрицательных величин, что обусловлено характером обтекания угловой острой кромки. Важно подчеркнуть, что в области течения за задней кромкой отсутствовала область рециркуляции, часто наблюдающаяся при обтекании двумерных каверн. Подтверждением сказанному служат опыты по визуализации при подаче в отверстие на задней кромке пузырьков воздуха или подкрашенной жидкости.

179

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Рис. 3.112. Распределение продольной скорости по высоте канала [30]: 1 – 15

ммдо каверны; 2 – 10 мм от центра каверны, выше по потоку; 3 – центр каверны; 4 – 10 мм от центра каверны ниже по потоку; 5 – 5 мм за каверной; 6 – 20

ммза каверной; 7 – 60 мм за каверной; штриховая линия – v / v0 = (yδ)17

На следующем этапе осуществлялось измерение профилей продольной скорости. Развитие пограничного слоя вдоль линии канала, проходящей через центр каверны, показано на рис.3.112. Перед каверной имел место развитый турбулентный пограничный слой с показателем степени n =17 . В пристеноч-

ной части каверны располагается область циркуляционного течения, и картина течения в общих чертах сходна с обтеканием двумерных каверн.

За нижней по потоку кромкой каверны, где происходит формирование нового пограничного слоя, профиль скорости испытывает деформацию. Ее наибольшее значение достигается на расстоянии xDк 0,5 от каверны, и наблюда-

ется она во внешней части пограничного слоя, где расстояние от стенки в логарифмическом профиле скорости равно η = yv* ν 200−400.

Процесс восстановления профиля скорости к исходному невозмущенному так же, как и восстановление распределений давления на поверхности (рис.3.111), происходит достаточно быстро, на расстояниях 1−2 калибра по диаметру каверны. Заметим также, что влияние каверны на пограничный слой на верхней стенке практически не сказывается.

Отмеченная деформация профиля средней скорости обусловлена изменением структуры турбулентности, сложным воздействием трехмерного течения в каверне на вновь формирующийся пограничный слой. Об этом свидетельствуют данные рис.3.113, где представлены профили продольной пульсационной скорости, измеренные в различных сечениях канала. Как видно, на профиле пульсационной скорости в сечениях с выраженной деформацией осредненного течения появляется дополнительный максимум.

180

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи

вканалах теплообменного оборудования

Вработе [45] В.И. Терехов, С.В. Калинина, Ю.М. Мшвидобадзе продолжили исследование гидродинамики обтекания одиночных сфрических выемок с острыми и скругленными кромками.

венно размер окружности сопряжения с поверхностью для выемки с гладкими кромками возрастал и составлял D′к = 64 мм. Глубина выемок варьировалась

так, что ее отношение к диаметру hDк = 0,13; 0,26; 0,5. Средняя скорость потока v в опытах и рассчитанное по ней значение числа Рейнольдса равны:

Первоначально в работе [45] рассматриваются выемки с острыми кромками. На рис.3.117а–е показано распределение коэффициента давления по ра-

диусу выемки hDк = 0,26 при Re = 5,9 104 для α = −60 ; − 30 ; 0; 30; 60; 900.

Коэффициент давления рассчитывался на основе опытных данных по формуле:

182

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

cp = (pi − p0 )(ρv2 2),

где pi - текущее значение давления; p0 - давление у верхней по потоку кромки выемки; ρ - плотность воды.

Видно, что вход в выемку характеризуется понижением давления, причем зона пониженного давления простирается и ниже по потоку, занимая до 34 от диаметра

направлении к центру выемки.

Необходимо отметить еще одно качественное отличие течений в глубокой и мелкой выемках, зафиксированное в опытах. Оно состоит в том, что в

183

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

глубоких выемках в области, прилегающей к нижней кромке, наблюдаются заметные колебания давления. Эти колебания апериодические, с низкой частотой и особенно отчетливо проявились в выемке глубиной hDк = 0,26 . На рис.3.118

область пульсаций давления выделена штриховкой. В выемке глубиной hDк = 0,13 колебания давления вообще не наблюдались. При наличии колеба-

ний давление определялось как среднее между крайними значениями. Необходимо отметить, что такой способ осреднения принят как приближенный, и результаты измерения имеют качественный характер.

На рис.3.118а–в показана картина изолиний коэффициента cp = const в выемках с острой кромкой при hDк = 0,13; 0,26; 0,5. Вблизи нижней по потоку

кромки выемки изолинии сгущаются, что вызвано резким изменением давления на этом участке. При увеличении глубины выемки существенно расширяется область отрицательных значений коэффициента cp .

кромкой [45]: а – hDк = 0,13; б – 0,26; в – 0,5, г – выемка со скругленными кромками

Далее в работе [45] рассматривалось течение в выемке со скругленной кромкой, На рис.3.119а–е показано распределение коэффициента давления по

184

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

диаметру выемки при α= –60; –30; 0; 30; 60; 90°. Левые и правые крайние точки отбора ( r′=–1 и 1) соответствуют точкам сопряжения выемки с внешней обтекаемой поверхностью.

Анализ данных рис.3.119 проводился в сравнении с рис.3.117, где представлены результаты аналогичных измерений для выемки с острой кромкой. Несмотря на то что по принятой терминологии эта выемка глубокая ( hDк =0,26), характер распределении коэффициента ср в каверне со скруглен-

ными кромками больше напоминает мелкую выемку с той только особенностью, что теперь практически отсутствует область отрицательных значений коэффициента давления. Исключение составляет небольшая область непосредственно за начальным сечением лупки, где имеет место локальный отрыв потока. Кроме того, максимальное значение ср в выемке со скругленной кромкой несколько выше, чем в вы-

емке без скругления.

Поведение изолиний ср для выемки со скругленными кромками можно проследить на рис.3.118г. Видно, что наибольший градиент в выемке имеет место у передней и задней кромок, где изолинии располагаются весьма густо. На большей же части

ср=соnst для выемки с острой кромкой при такой же относительной глубине

( hDк =0,26, рис.3.118б) сви-

детельствует о .существенном отличии в характере их распределения. Не обнаружено в сглаженных выемках и апериодических крупномасштабных пульсации потока, как это было в выемках с острыми краями.

На следующем этапе экспериментов в работе [45] производилось определение интегральных потерь давления в выемке, для чего локальные распределения давлений интегрировались по всей поверхности сферического сегмента, а затем находи-

лась проекция этой величины на любое заданное направление.

185

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Из полученных результатов авторы [45] сделали вывод, что с увеличением глубины выемки ее сопротивление в направлении течения х возрастает, при этом рост числа Рейнольдса приводит к противоположному результату. Причиной последнего является, возможно, то, что при Rе=3,8·104 существовал переходный от ламинарного к турбулентному режим течения. Необходимо отметить также, что сглаживание кромки выемки существенно (в 2–2,5 раза) уменьшает ее сопротивление. Это важное обстоятельство необходимо учитывать при проектировании теплообменников и вызвано, возможно, тем, что на процесс перехода к переключательному режиму течения в выемке сильное влияние оказывает закон округления кромок.

Также в работе [45] установлено, что распределение давлений можно считать симметричным относительно продольного направления, несмотря на наблюдаемые на рис.3.117 отклонения от симметрии изолиний ср.

Было установлено, что сопротивление сферических выемок существенно зависит от параметра hDк , изменяясь от минимального значения при

hDк ~0,2 до максимального при hDк =0,5.

На рис.3.120 из работы Э.К.Калинина, Г.А.Дрейцера и др. [42], показано распределение по сечению турбулентных пульсаций на разных удалениях от

уступа. Из рисунка хорошо видно, что степень турбулентности w′x2 / w0 мак-

симальна у верхней границы вихревой зоны и переносятся вдоль линий тока (w0 – скорость на оси канала). Это значит, что выработка турбулентности происходит главным образом в районе сильного взаимодействия вихревой зоны с основным потоком, т.е. на верхней границе области. Именно здесь турбулентное касательное напряжение достигает больших значений. Здесь же имеет мак-

симальное значение градиент скорости. Из того, что w′x2 / w0 сохраняется на

линии тока, идущей от верхней границы вихря, и что область сильных пульсаций расширяется, следует, что турбулентные пульсации, возникающие на верхней границе области, переносятся усредненным течением вдоль линий тока, постепенно затухая и диффундируя в стороны от нее.

Рис.3.120. Распределение интенсивности турбулентности за единичным выступом (пунктиром обозначена граница отрывной зоны) [42]

186

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Качественно аналогичный механизм взаимодействия отрывной зоны с потоком наблюдается и при возникновении отрыва на стенке плавно расширяющегося канала. Но размеры вихревой зоны здесь значительно меньше, чем при таком же ступенчатом расширении канала, а интенсивность выработки турбулентности, наоборот, выше. Это следствие больших градиентов скорости

итурбулентного касательного напряжения на верхней границе вихря, так как средняя скорость потока на участке главного входа выше. Причем максимум градиента скорости, касательных напряжений и выработки турбулентности совпадают на верхней границе вихря.

Приведенная картина распределения интенсивности турбулентности за уступом (выступом) показывает идентичность процессов за «классическим» поверхностным интенсификатором теплоотдачи и сферической выемкой – обновление пограничного слоя и повышение турбулентности пристенного слоя. (что было показано и в предыдущем параграфе по визуализации). То есть система сферических выемок может быть причислена к классу поверхностных интенсификаторов теплообмена, без выделения в отдельный класс.

Проведенный обзор показал, что нанесение рельефов из сферических выемок на плоские и цилиндрические поверхности при их продольном обтекании приводит к росту гидросопротивления. Рост гидросопротивления в большинстве работ составляет от 1,25 до 2,5 раз в зависимости от геометрических параметров интенсификаторов. Имеются работы, где гидросопротивление возрастает в 5–10 раз.

Нанесение системы сферических выемок на цилиндрические поверхности (трубы) при их поперечном обтекании несколько снижает гидросопротивление систем труб. Это будет показано также в последующих параграфах по испытанию ТА со сферическими выемками на поверхности пучков труб при их поперечном обтекании и криволинейных поверхностях.

Однако влияние различных параметров геометрических и режимных параметров на гидросопротивление изучено недостаточно. Следует указать, что практически отсутствуют рекомендации для инженерных расчетов ТА с использованием систем сферических выемок в качестве интенсификаторов.

Таким образом, проведенный обзор исследований гидравлического сопротивления в каналах со сферическими выемками довольно не многочисленен

ипротиворечив по уровню измеренных гидравлических сопротивлений и влиянию на них определяющих режимных и конструктивных параметров.

Здесь необходимы разработки четких инженерных рекомендаций по расчету гидросопротивления в каналах со сферическими выемками в широком диапазоне определяющих режимных и конструктивных параметров

187

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи

вканалах теплообменного оборудования

3.2.3.Результаты экспериментального исследования локальной

исредней теплоотдачи в каналах и на поверхностях

со сферическими выемками

Как было отмечено в [25,74], в соответствии с результатами исследований [82] конвективный теплообмен во многом определяется крупномасштабными пульсациями, направленными от внешнего потока к обтекаемой поверхности. В результате крупные массы потока переносятся из ядра потока к стенке и обратно, стимулируя конвективный теплоперенос. Как указано в [83], пристенная интенсификация теплообмена должна осуществляться в относительно тонком слое около стенки, граница которого определяется безразмерной координатой y+≈30...60. Только в этом случае дополнительные затраты энергии на турбулизацию потока будут сравнительно невелики.

П.Н.Кубанский [72], по-видимому, был первым, кто получил подробные данные по теплообмену в трубе с выемками. Для трубы с глубокими цилиндрическими углублениями (h/D=1,0) и при увеличении площади теплообмена на γ=44% увеличение теплообмена составило 2,0...2,5 при изменении числа Re от 10000 до 30000. В трубе с очень глубокими цилиндрическими (h/D=5,0) и коническими (h/D)=1,0) углублениями отношение Nu/Nu0 составило 1,2…1,6 для того же диапазона чисел Рейнольдса. В то же время, потери давления внутри трубы с углублениями всего на 12.. .25% ниже потерь давления в гладкой трубе, причем наименьшие потери были получены для глубоких цилиндрических углублений (h/D=1,0). В работе [72] делается вывод, что снижение потерь давления происходит вследствие качения основного потока по «вихревой сетке», создаваемой вихрями, выходящими из многочисленных углублений. Эта работа дала толчок исследованиям интенсификации теплообмена с помощью трехмерных элементов шероховатости, в том числе в виде сферических выступов и выемок.

Необходимо отметить, что еще в 1947 году Н.П.Кубанский отмечал важную роль автоколебаний в каналах с поверхностными интенсификаторами теплообмена.

В своем патенте [73] Н.П.Кубанский предлагал поверхность теплообмена с применением интенсификации за счет звуковых или ультразвуковых колебаний. В предлагаемом изобретении интенсификация теплообмена достигается резонаторами для возбуждения колебаний звуковыми или ультразвуковыми волнами, рассчитанными на опре-

деленную собственную частоту колебаний, соответствующую длине волны возбудителя, и выполненными на поверхности теплообмена в виде углубле-

188