Монография Попов т3

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

уменьшаются незначительно и могут считаться постоянными и приниматься, при рассматриваемых условиях, около 1,5 раз (рис.3.185).

В работе С.Д.Хванга и Х.Х.Чо [102] проведены исследования теплообмена и гидросопротивления в плоском канале со сферическими выемками и выступами на противоположных стенках при течении воздуха. Определение локальных коэффициентов теплоотдачи проводилось с использованием термического жидкокристаллического покрытия. Сферические выемки в исследования располагались в шахматном порядке, в углах равнобедренного треугольника со сторонами 15 мм. Глубина выемки составляла Нd=3,75 мм, диаметр выемки D=12,99 мм (диаметр образующей сферы D=15 мм), высота канала составляла H=15 мм, что обеспечивало относительную глубину выемки Hd/D=0,29 и относительную высоту канала

H/D=1,15 (рис.3.186). Все исследования проведены при числе Рейнольдса

Re=10000.

Рис.3.187 показывает схему обтекания потоком препятствия в виде сферической выемки. На передней кромке выемки происходит отрыв основного потока. В выемке формируется зона рециркуляции. На задней по ходу течения потока кромке выемки происходит присоединение потока, обновление динамического пограничного слоя и формирование пары вихрей. Данная картина течения в последствие позволяет объяснить авторам работы [102] распределение локальных коэффициентов теплоотдачи.

229

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Рис.3.186. Схема исследованной поверхности со сферическими выемками

[102]

На рис.3.188 показано распределение локальных коэффициентов теплоотдачи на поверхности со сферическими выемками при течении воздуха (Re=l0000). Пунктирные окружности показывают контур выемок. Вследствие отрыва потока на передней кромке выемки и формирования зоны рециркуляции в ней, в выемке наблюдается зона с пониженными коэффициентами теплоотдачи. На задней по ходу течения кромке выемке наблюдается зона повышенной теплоотдачи вследствие присоединения потока. Наибольшие коэффициенты теплоотдачи свойственны для некоторой зоны за выемкой, где происходит обновление динамического пограничного слоя и воздействия на него вихревых пар, формирующихся от задней кромки выемки.

На рис.3.189 более подробно рассмотрено распределение коэффициентов теплоотдачи в выемке и за ней. Минимум коэффициентов теплоотдачи приходится на точку с координатами x/D = –0,2 и y/D=0 в зоне рециркуляционного течения. На задней кромке при x/D=0,5 высокие значения коэффициентов теплоотдачи объясняются присоединением потока, минимальной толщиной погранслоя и воздействием вихревых структур.

230

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Рис.3.189. Распределения локальных коэффициентов теплоотдачи вдоль и поперек выемки по центральным осям [102]

нале с одной из стенок, покрытой выемками с различными промежутками между ними h/D=0, 0,024 и 0,055. Авторами получена интенсификация теплоотдачи от 1,4 до 3,08 при изменении h/D от 0 до 0,055 при числах Рейнольдса от 11500 до 35000.

Т.С.Гриффит и др. [105] исследовали теплоотдачу в канале прямоугольного сечения с соотношением сторон 4:1 со сферическими выемками на стенках. В опытах реализовался режим обтекания сферической каверны, показанный на рис.3.190. Среднее отношение Nu/Nu0 в опытах составило около 2,0 при изменении чисел Рейнольдса в диапазоне от 5000 до 40000.

В работе Ф.Жоу [103] проведены экспериментальные и численные исследования теплоотдачи (массоотдачи) на одной из поверхностей (длиной 305,3 мм, шириной 25,5 мм) в канале квадратного сечения, покрытой системой (47 рядов) сферических выемок в шахматном порядке (рис.3.191). В экспериментах использовался метод возгонки нафталина. Эксперименты выполнены при изменении чисел Рейнольдса в диапазоне от 7000 до 21000.

231

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Рис.3.191. Геометрия исследованной поверхности в канале [103]

Sh/Sh0 на противоположной глад-

кой стенке близко к 1.

На рис.3.193 показано распределение отношение чисел Sh/Sh0 по центральной продольной оси поверхности с выемками и противоположной гладкой поверхности в канале при Re=21000. Пики Sh/Sh0 расположены вниз по течению за рядами выемок, а минимумы Sh/Sh0 соответствует рядам с выемками. При этом величина пиков Sh/Sh0 более высокая в рядах с 3 выемками, по сравнению с величинами пиков в рядах с 2 выемками. Установлено, что выемки увеличивают среднюю теплоотдачу в канале в 1,1– 2 разаНа. рис.3.194 представлено распределение Sh/Sh0 на поверхности с выемками поперек потоку при Re=21000 в сечениях каналах ближе к выходу (б) и входу (а) в канал.

232

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Максимумы здесь приходятся на боковые грани выемок. Полученные распределения теплоотдачи совпадают с полученными в работах Х.К.Муна и др. [61] и Дж.И.Махмуда и др. [34]. Распределения Sh/Sh0 во входной зоне канала подобны наблюдаемым в выходных сечениях, однако интенсивность теплоотдачи во входных сечениях несколько выше.

при Re=21000 в сечениях каналах ближе к выходу (б) и входу (а) в канал

[103]

Вышеупомянутый тенденции показаны более ясно на рис.3.195. Местоположения выемок обозначены в белыми кругами. Из рис.3.195 видно,

233

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

что максимальная теплоотдача (массоотдача) наблюдается только в зоне в виде подковы вниз по течению от впадины.

а б

Рис.3.195. Распределения отношения Sh/Sh0 по поверхности со сферическими выемками в канале в области полностью развитого течения (Re=21000) [103]: а – зона входа в канал; б – зона выхода из канала

Таким образом, обзор литературы по интенсификации теплообмена посредством нанесения систем сферических выемок на поверхности теплообмена показал, что возможна интенсификация средней теплоотдачи в каналах и на свободный поверхностях до 3,5 раз при турбулентном режиме течения основного потока.

Однако в существующих работах не отражено исследований в области ламинарных и переходных режимов, практически отсутствуют обобщенные зависимости для расчета средней и местной теплоотдачи в каналах с выемками, нет простых и надежных методик и рекомендаций для инженерных расчетов и проектирования теплообменного оборудования с рассмотренным видом интенсификации теплообмена.

234

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи

вканалах теплообменного оборудования

3.2.4.Результаты численных исследований гидродинамики

итеплообмена в каналах и на поверхностях со сферическими выемками

Количество работ, посвященных численному моделированию течения и теплоотдачи внутри и вокруг сферических выемок, довольно ограничено. Единичные усилия не могут дать понимания физических механизмов интенсификации теплоотдачи с помощью системы сферических выемок, поскольку в задаче с множеством определяющих факторов нужен систематический поиск. В перечне актуальных проблем по численной диагностике интенсификации теплообмена системой сферических выемок следует указать следующие [107]:

•интенсификация теплообмена на омываемых поверхностях с элементами шероховатости и, в частности, на рельефах из сферических выемок;

•исследование физических механизмов поверхностной интенсификации теплообмена;

•численное моделирование теплообмена на рельефах сферических выемок;

•тестирование комплексов на ряде задач, имеющих физические аналоги;

•апробация и выбор приемлемых моделей турбулентности для расчета пространственных вихревых течений и конвективного теплообмена;

•идентификация пространственных струйно-вихревых структур в пространственных отрывных течениях, ответственных за теплогидравлические эффекты;

•выбор рельефов с максимальной теплоотдачей и минимальным сопротивлением движению рабочей среды.

Большое количество работ в перечисленных направлениях выполнены С.А.Исаевым и его группой.

В работах [107,108] представлены обобщенные результаты многолетних исследований С.А.Исаева и др. механизмов переноса в сферических выемках и их окрестностях.

Схема сферической выемки, рассматриваемой в работах [7,107,108] представлена на рис.3.196.

Ламинарное отрывное течение (число Re=2500) в глубокой сферической выемке на плоскости детально проанализировано в работах группы С.А.Исаева [7,107]. Представленные на рис.3.197 картины траекторий жидких частиц, введенных в окрестности фокусов и в местах выемочного пространства с координатами x=0; y=0,1; z=±0,1, выявили существование устой-

чивых структурных элементов. Подтвердилось практически очевидное предположение о подковообразной вихревой линии, соединяющей фокусы, вокруг ко-

235

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

торой навиваются раскручивающиеся спиралеобразные линии тока. В выемке реализуется закрученное струйное течение, ответственное за массоперенос от периферийной части выемки к геометрической плоскости симметрии (относительно направления набегаю-

Рис.3.198. Компьютерная идентификация вихревых структур в сферических выемках: а – h = 0.1; б – 0.14; в – 0.18

Симметричные устойчивые кольца, оси которых ориентированы по нормали к поверхности выемки, несомненно, являются искомыми элементами, во

236

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

многом определяющими механизм «вихревой» интенсификации тепломассообмена.

Результаты расчета ламинарного течения вязкой жидкости около глубокой выемки на плоской стенке оказываются весьма близкими к физическому аналогу [7,107] (рис.3.199).

При анализе результатов по теплообмену следует отметить, что постановка простых граничных условий

стройка вихревой структуры при переходе от умеренных к высоким числам Рейнольдса связана с формированием струйных закрученных потоков, истекающих из окрестности фокусов на поверхности выемки. При Re=7×102 указан-

237

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

ные периферийные потоки еще очень слабы и в целом наблюдается блокировка замкнутого вихревого течения в центральной области выемки с охватом его прилегающими к стенкам слоями закрученного потока. Жидкость из центра выемки переносится на периферию и выбрасывается из нее, в частности, через боковые окна.

При Re>103 в сферической выемке реализуется транспортировка жидкости из периферийных боковых областей к центру с последующим выносом в плоскости симметрии. Оси закрученных струй при высоких числах Re представляют собой прямые линии, соединяющие фокусы на стенках выемки и точку стока в срединной продольной плоскости, вокруг которой возникает вращательное движение жидких частиц в плоскости симметрии. На указанные оси струй навиваются траектории жидких частиц, попадающих в выемку из внешнего потока. При этом по малым радиусам переносятся частицы с периферийной части выемки. Как видно из рис.3.201б, принадлежащие внешнему потоку жидкие частицы, попадающие в центральную часть выемки, затягиваются в ствол закрученного струйного потока у его основания. Таким образом, осуществляется транспортировка жидкости из центральной части выемки на ее периферию по траекториям с уменьшением радиуса закрутки.

Расчет турбулентного обтекания глубокой выемки со скругленными краями в узком канале выполнен в работах [7,107] с использованием высокорейнольдсовой k–ε мо-

дели при Re=4.4×104.

Турбулентное вихревое течение в окрестности выемки в канале, структура которого показана на рис.3.202а–г, в целом сохраняет черты ламинарного аналога. Симметричные вихревые ячейки, закрученные струйные потоки, истекающие из окрестно-

стей особых точек типа фокус, являются характерными элементами для глубоких выемок с сильно сглаженными краями.

Следует отметить хорошее согласование расчетных и экспериментальных данных по коэффициенту давления в продольном и поперечном сечениях выемки [30,45], что позволяет сделать заключение о приемлемости использован-

238