Монография Попов т3

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

даются в пределах выемок. Здесь значения Nu/Nu0 составляют около 1.0 и мало меняются поперек выемки (не зависят от Z/D) и от относительной высоты канала H/D. Напротив, значения Nu/Nu0 увеличиваются с уменьшением H/D на плоских поверхностях за выемками. Здесь местные числа Нуссельта значительно выше относительно канала с гладкими стенками (Nu/Nu0=2–5,5 в зависимости от степени стесненности канала H/D).

Другая интересная особенность, показанная на рис.3.164, – два пика значений Nu/Nu0 в зависимости от Z/D в пределах промежутка между выемками. Они наиболее очевидны при H/D=0,20 и 0,25, X/D=9,35 и интервале Z/D от –0,5 до +0:5. Эти пики возникают из-за парного вихря в выемке и вихревой дорожки от граней выемки за ней.

На рис.3.166 и 3.167 представлены распределения локальных чисел Нуссельта в зависимости от X/D при постоянном отношении Z/D равным 0,00 и 0.45, соответственно. Z/D=0,00 соответствует центру выемки, а Z/D= ±0,45 – граням выемки по диагонали.

Nu/Nu0 перед выемкой (7,9<X/D<8,2), при рассматриваемой геометрии поверхности, при всех значениях H/D равно 2.0. Внутри выемки значения Nu/Nu0 меньшие. Наименьшие значения Nu/Nu0 наблюдаются в области X/D от 8,4 до 8,7. Видно, что значение Nu/Nu0 зависит от H/D – при более низких

220

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

значениях H/D значения Nu/Nu0 более высокие, хотя данная зависимость слабая. Затем значения Nu/Nu0 начинают увеличиваться по ходу течения теплоносителя в канале. Эта увеличение более значительно при уменьшении H/D. Максимальные значения Nu/Nu0 наблюдаются в диапазоне X/D от 9,0 до 9,7. Рост Nu/Nu0 в данной зоне вызван местоположением точки присоединения отрывного слоя к задней кромке выемки и формированием вихревых структур и нового пограничного слоя за выемкой на плоской поверхности до следующей выемки.

Значения Nu/Nu0, приведенные на рис.3.167, для Z/D=0,45 увеличиваются при уменьшении H/D для всех значений X/D. Увеличение Nu/Nu0 с уменьшением H/D на рис.3.167 указывает, что интенсивность и размеры вихрей и шнуров закрученной жидкости увеличивается при уменьшении H/D. Это происходит из-за формирования вихревого закрученного движения жидкости за выемкой и парного вихря в ней. Вихревые структуры за выемкой могут иметь форму шнуров закрученной жидкости, которые взаимодействуют между собой в промежутках между соседними выемками в диагональных направлениях. Наибольшие увеличения Nu/Nu0 с уменьшением H/D наблюдаются около диагоналей выемок в десятых и одиннадцатых рядах.

На рис.3.168 и 3.169 представлены числа Нуссельта в зависимости от Z/D при постоянном значении X/D=9,35 и в зависимости от X/D при постоянном значении Z/D=0,00, соответственно.

221

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

личных числах Рейнольдса ReH. При этом при более высоких значениях чисел Рейнольдса наблюдаются более низкие значения отношений местных коэффициентов теплоотдачи вследствие того, что более сильные вторичные течения и вихри производятся выемками при более низких числах Рейнольдса (в исследованном диапазоне). При увеличении чисел Рейнольдса происходит подавление вторичных течений и вихрей более интенсивным основным потоком.

Влияние этих явлений также очевидны на рис.3.174 и 3.175, на которых приведены распределения средних значений отношения Nu/Nu0 вдоль образующих линий в различных сечениях поперек и вдоль выемки по ходу течения потока при различных числах Рейнольдса ReH. В обоих случаях про- странственно-осредненные отношения чисел Нуссельта увеличиваются с уменьшением числа Рейнольдса на основной части выемок.

На рис.3.176 и 3.177 представлены отношения местных и средних чисел Нуссельта вдоль поверхности с выемками при фиксированном числе Рейнольдса в начале и в конце исследуемой поверхности. Расстояние между рассматриваемыми выемками составляет 20X/D. Видно, что данные отношения чисел Нуссельта в начале поверхности с выемками выше, чем в конце. Это связано с наличие в начале поверхности более тонкого теплового пограничного слоя. Более тонкий тепловой пограничный слой более восприимчив к влиянию различных вихрей и вторичных течений, которые генерируются выемками. Следует отметить, что данные получены в области полностью развитого течения.

224

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

сти по ходу движения теплоносителя, затем, на остальных 75%, –повышение коэффициента теплоотдачи. При относительной глубине выемки h/D=0,2 также наблюдается уменьшение теплоотдачи на первых 25% и далее рост теплоотдачи при движении к задней кромке. В этом случае максимальная теплоотдача наблюдается непосредственно на задней кромке выемки. При относительной глубине выемки h/D=0,3 уменьшение теплоотдачи также на первых 25% и далее рост теплоотдачи при движении к задней кромке и районе, соответствующей 85% длины по поверхности выемки наблюдается максимум теплоотдачи, после чего теплоотдача несколько уменьшается в направлении к задней кромке выемки. При h/D=0,3 максимум интенсификации теплоотдачи за выемкой составляет 3,7 в координате, соответствующей X/D=22,3.

Различия в распределениях коэффициентов теплоотдачи в зависимости от h/D вызваны изменением развития вихревых пар и отличием в точках присоединения потока и формированию нового пограничного слоя за выемкой. Для глубоких выемок точка присоединения потока к ее поверхности сдвигается от кромки внутрь выемки. Причем процесс в этой точке носит периодический характер из-за периодических разрушений парного вихря в выемке и срывов вихревых структур от задней кромки, а также периодического захвата части потока выемкой. Для более глубоких выемок процессы в выемке более интенсивны, вследствие чего и более сильны и более явны вторичные течения в ней. Это влияет и теплоотдачу за выемкой. Для более глубоких выемок теплоотдача за ней более интенсивна (рис.3.178). На рис.3.179 показаны распределения отношений средних значений Nu/Nu0 вдоль образующих линий в различных сечениях поперек выемки по ходу течения потока. Также видны существенные различия по теплоотдаче для мелких и более

226

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

глубоких выемок. Увеличение относительной глубины выемки h/D с 0,1 до 0,2 приводит к увеличению теплоотдачи практически в 1,33 раза, а увеличе-

ние h/D с 0,2 до 0,3 – в 1,35 раза.

Анализ осредненных по всей поверхности канала коэффициентов теплоотдачи, представленных на рис.3.180, иллюстрирует влияние на них относительной глубины выемок h/D. Увеличение теплоотдачи по сравнению с гладким каналом составляет для h/D=0,1, 0,2 и 0,3 соответственно 50%, 100%

и 150% (рис.3.181).

Влияние определяющих режимных параметров потока и конструктивных параметров интенсификаторов на среднюю теплоотдачу в каналах математически описаны выражением:

Nu / Nu0 =1,0 + 6,183(h / D)1,162 .

Выражение справедливо при ReH=5000–80000, H/D=1,0, h/D=0,1–0,3, Tu=0,03–0,12 и значении температурного фактора 0,92–1,00.

В работе Ф.М.Лиграни, Н.К.Бурджесса и С.Й.Вона [63] рассмотрено влияние на теплоотдачу и структуру течения в выемке и за ней уровня турбулентности потока, набегающего на пластину с системой сферических выемок. Исследования проведены на пластине со сферическими выемками ди-

227

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

метром D=5,08 см и глубиной h=0,508, что обеспечивало относительную глубину выемок h/D=0,1. Схема расположения выемок на поверхности приведена на рис.3.98. Диапазон изменения чисел Рейнольдса в экспериментах со-

ставлял ReH=9940–74800.

На рис.3.182 и 3.183 представлена информация о влиянии степени продольной турбулентности Tu на отношение чисел Нуссельта на поверхности со сферическими выемками и исходно гладкой поверхности Nu/Nu0 вдоль центральной линии (Z/D=0) последней по ходу течения выемки и поперек последней по ходу течения выемки, вдоль линии с координатой Х/D=23. Видно, что отношения чисел Нуссельта при различных степенях начальной турбулентности подобны. При этом, при увеличении степени начальной турбулентности наблюдается незначительное уменьшение прироста теплоотдачи. Осредненные относительные коэффициенты теплоотдачи поперек выемки также подобным (рис.3.184). С ростом степени турбулентности Tu с 0,033 до 0,107 уменьшение интенсификации теплоотдачи незначительно и связано с уменьшением влияния на процессы переноса вихрей и вторичных течений, генерируемых выемками

Осреднение отношения чисел Нуссельта для на участке поверхности от центра выемки в 27-ом до центра выемки в 29-ом ряду показывает, что с ростом турбулентности средние значения интенсификации теплоотдачи

228