Монография Попов т3

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

нию коэффициента теплоотдачи в пределах выемки примерно на 40% и в ближнем следе за ней – на 25%.

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

стенку канала высотой 1 выемок двух типов (А – Г.И.Кикнадзе и др.; Х.Х.Чоу и др.; Б – Ф.Лиграни и др.) подтвердило экспериментально обнаруженную закономерность повышения теплоотвода от стенки с выемками по мере роста γ

(табл.3.7 и рис.3.206).

Рис.3.205. Синхронизация струйно-вихревых структур в пристеночном слое [7]. h =0.22; r =0.1; δ=1; Re=104. 1 – Nu/Nupl = 0.2; 2–0.5; 3–1.25; 4– 1.4; 5–2; 6–3

Рис.3.206. Влияние плотности выемок и их расположения [7]. h =0.28; r =0.1; H =1; А – γ=0.46; Б – γ=0.6; Re=104; δ=0.175. 1 – Nu/Nupl = 0.3; 2 – 0.99; 3 – 1.5; 4 – 2; 5 – 4

Продольные распределения осредненных по ширине полосы с выемками относительных чисел Нуссельта показывают, что участки с низкой теплоотдачей вызваны подветренными частями выемок, в то время как существенные превышения в 2,5–3 раза по сравнению с плоской стенкой числе Nu создаются,

восновном, зонами ближнего следа за выемками.

Вработе [7] впервые рассчитана теплогидравлическая эффективность канала с выемками на одной из стенок и доказано превышение относительного (по сравнению с плоскими стенками) теплоотвода над гидравлическими поте-

241

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

рями для уединенной сферической выемки h =0.2. С уменьшением высоты канала теплогидравлическя эффективность возрастает (табл.3.8).

Таблица 3.7 Сравнение по теплогидравлической эффективности рельефов с 18 сферическими выемками ( h =0.28; r =0.1) различной плотности и расположения в турбу-

лентном режиме при Re=104

Таблица 3.8 Влияние высоты канала на теплогидравлическую эффективность участка со

сферической выемкой при h =0.2; r =0.1; Re=104

В численных исследованиях течения и теплоотдачи на поверхностях с одиночными сферическими выемками и их системами Н.А.Кудрявцев [109] показывает, что имеет место заметное увеличение относительной теплоотдачи

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

не только ее относительной глубиной, но и кривизной контура, включая радиус скругления острой кромки, остается неясной, то в проведенном здесь численном исследовании используются несколько близких конфигураций сферической выемки с разбросом толщины пограничного слоя. Число Рейнольдса выбирается равным 4×104. На рис.3.207 кривые 1–3 со смещенным на наветренную сторону пиком давления резко контрастируют с каноническим, характерным для потенциальных течений распределением давления (кривая 4). Тем не менее, удовлетворительная в целом корреляция результатов численного и физического моделирования свидетельствует о приемлемости расчетной методологии и выбранной модели сдвиговых напряжений Ментера.

В работе Н.А.Кудрявцева [109] показано (рис.3.208), что с ростом глубины сферической выемки перестройка структуры отрывного течения сопровождается резкой интенсификацией теплоотдачи как в районе выемки (порядка 60%), так и в следе за ней (порядка 45%). Важно подчеркнуть, что для симметричной картины обтекания выемки умеренной глубины ( h свыше 0.14) коэффициент относительной теплоотдачи в ее окрестности не превышает 20% (по сравнению с гладкой стенкой). Асимметричной вихревой картине (рис.3.208б) соответствует почти двукратный рост максимальной величины локального числа Нуссельта, в пять раз превышающей уровень теплоотдачи для гладкой стенки (кривая 4 на рис.3.208г). Одновременно в самой выемке на подветренной стороне тепловые нагрузки оказываются меньше чем для гладкой стенки.

Рис.3.208. Бифуркация вихревых структур в сферической выемке глубиной 0.22: симметричная (а) и асимметричная (б) картины. Сравнение зависимостей от h интегральных коэффициентов относительной теплоотдачи Nu/Nupl элементов омываемой поверхности стенки с лункой (в) и распределений локальных коэффициентов относительной теплоотдачи Nu/Nupl в продольном (г) сечении сферической выемки глубиной 0.22. Оцифрованные линии: 1 – для элемента, окружающего выемку; 2 – для элемента в следе за лункой; 3 – параметры для симметричной вихревой структуры течения (а); 4 – параметры для моносмерчевой структуры течения (б).

243

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Нанесение на гладкую трубу в шахматном порядке выемок диаметра, равного 0.2 диаметра трубы, с шагом по окружной координате примерно 1.4 диаметра и по поперечной координате около одного диаметра (рис.3.209) приводит к монотонному возрастанию суммарной теплоотдачи с увеличением глубины выемок (при опережающем росте гидравлических потерь).

В ходе численных исследований К.С.Йео, Б.С.Ху и З.Уонг [110] подвердили результаты работ [1–4]. При ламинарном течении в сферической выемке возникает подковообразный вихрь. Отдельные результаты расчетом приведены на рис.3.210.

Д. Чаудхари и др. [106] выполнили численное исследование течения и теплоотдачи в плоском канале с периодически расположенными выемками. Авторами получено, что уменьшение высоты канала и интервала между выемками сопровождалось увеличением теплоотдачи и потерь давления.

Численное исследование картины течения и теплоотдачи на поверхности с системой сферической выемок приведено в работе Дж.Парка и Ф.М.Лиграни [111].

Рис.3.210. Структура потока, поверхностные напряжения, распределение давления

244

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи

вканалах теплообменного оборудования

Висследования принималось шахматное расположение сферических выемок диаметром D=5,08 см и глубиной h=1,524 см (h/D=0,3). Для сравнения в работе исследованы характеристики еще 6 форм выемок.

Результаты исследований теплообмена и течения на поверхности со сферическими выемками показывают, что по своим характеристикам данные поверхности превосходят ко всем исследованном диапазоне режимных параметров впадины других форм – цилиндрические, треугольные, кубические и т.д.

Вработе [111] показано, что в пределах сферической выемке присутствует только один первичный основной вихрь. Интенсивность теплоотдачи здесь невысока из–за вторичных рециркуляционных течений. За выемкой возникают вторичные вихревые пары (центральная и около боковых граней каждой из выемок). В соответствии со структурой вихревых структур наибольшее увеличение теплоотдачи наблюдается на дуге задней по потоку кромки сферической выемки. Структура вихревых структур носит определяющее влияние на интенсивность теплоотдачи. Максимальная интенсификация теплоотдачи в данной зоне вызвана главным образом сильными вторичными потоками, имеющими трехмерное перемешивающее воздействие на поток в пределах центрального вихря и пары периферийных вихрей, обновлению пограничного слоя от точки присоединения потока задней по ходу течения теплоносителя кромке выемки.

Основной целью численных исследований С,С.Бивеса, Т.Дж.Барбера и Э.Леонарди [21] было исследование гидродинамики потока в сферической выемке с определением места центра зоны рециркуляции и точки присоединения потока в выемке. Зона рециркуляции потока, по мнению авторов, начинает возникать в выемках при h/D>0.22. Центр этой зоны рециркуляции находится в выемке на глубине приблизительно в 0.5h ниже гладкой поверхности, как показано на рис.3.211. Расчеты проведены при варьировании числа Рейнольдса Re, рассчитанного по эквивалентному диаметру канала D.

Авторами показано, что на качество результатов расчетов оказывает существенное влияние шага расчетной сетки и выбор модели турбулентности. Так при крупных шагах расчетной сетки (0,1 мм) и использовании κ-ε модели турбулентности при расчетах зона рециркуляции не обнаруживается. Уменьшение шага сетки до 0,02 мм позволяет выявить и проанализировать поведение зоны рециркуляции (рис.3.211–214).

Входе численных исследований установлено, что местоположение зоны

рециркуляции в значительной степени зависит от числа Рейнольдса. При увеличении числа Re до значений 3,0·105 зона рециркуляции увеличивается по высоте, но не выходит по высоте за уровень свободной поверхности. При этом центр зоны рециркуляции перемещается вниз по течению в выемке.

Входе анализа результатов расчета авторами [21] установлено, что местоположение центра зоны рециркуляции при h/D=0,5 и Re=8,2·102 составляет

приблизительно 0,36h и 0,6D, как показано на рис.3.214. При увеличении числа Re=2,9·104, центр зоны рециркуляции мигрирует к точке 0,38h и 0,57D, то есть перемещается вниз по выемке и вверх по течению. Это относится к расчетам по κ-ε модели турбулентности при Tu=5-30%.

245

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Рис.3.211. График линий тока тече- Рис.3.212. График функции тока в ния в выемке при h/D=0,22 и выемке при h/D=0,22 и Re=2,7·103

Re=2,7·103 (κ-ε модель турбулентно- для расчета при шаге сетки 0,1 мм и сти при расчете при Tu=10%) использовании κ-ε модели турбу-

лентности (Tu=10%)

Использование κ-ε RNG модели турбулентности при Tu=10% приводит к некоторым отличиям в расчетах, например центр зоны рециркуляции в этом случае находится в точке при 0,43h and 0,6D.

Использование расчетной модели напряжений Рейнольдса приводит к еще большим отличиям в расчетах, например центр зоны рециркуляции в этом случае находится уже в точке при 0,34h and 0,4D.

Рис.3.213. График функции тока в Рис.3.214. График функции тока в выемке при h/D=0,22 и Re=2,7·103 выемке при h/D=0,5 и Re=8,2·102 для для расчета при шаге сетки 0,02 мм и расчетов при использовании κ-ε моиспользовании κ-ε модели турбудели турбулентности (Tu=10%)

лентности (Tu=10%)

На основе проведенного анализа работы С,С.Бивеса, Т.Дж.Барбера и Э.Леонарди [8] можно сделать вывод, что выбор расчетной модели турбулентности и шага расчетной сетки является основными для идентификации течения в выемке. Разница в получаемых результатах может быть существенной.

Численное исследование теплоотдачи в сферических выемках и за ними рассмотрено также в работах [112–115] (рис.3.215).

246

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи

вканалах теплообменного оборудования

Вработе Ф.Гренарда. В.Куинтилла-Ляройа, Э.Ляроше

[116]проведено численное исследование теплоотдачи в каналах различной высоты H со сферическими выемками диаметром D=5,08 см и различными значениями глубины выемок h, обеспечивающими относительную высоту канала H/D=1…3 и относительную глубину выемок

участка гидродинамической стабилизации потока (1…3)D. Шаг между центрами выемок составлял в численном эксперименте 8,22 см. Схема исследованных каналов показана на рис.3.216.

Результаты численных экспериментов сравнивались с результатами экспериментальных исследований Ф.Лиграни и Дж.И.Махмуда [32,34]. Отдельные результаты сравнения приведены на рис.3.217 и 3.218 для параметров канала и интенсификаторов H/D=1 и h/D=0,2. Разница между расчетными и экспериментальными данными по локальным коэффициентам теплоотдачи достигает 2550% в отдельных точках. При этом характер изменения коэффициентов теплоотдачи отслеживается достаточно точно.

Рис.3.216. Исследованные поверхности

Для прочих случаев значений H/D и h/D различие в значениях между расчетными и экспериментальными данными по локальным коэффициентам теплоотдачи достигало еще больших значений, особенно при H/D=0,2 и h/D=0,2. Однако характер изменения коэффициентов теплоотдачи остается достаточно точным.

247

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

На рис.3.219 показано сравнение экспериментальных данных Н.К.Буржеса и др. [60] и результатов расчета Дж.Парка и Ф.Лиграни [111] с использованием пакета прикладных программ FLUENT и расчетов Ф.Гренарда. В.Куинтилла-Ляройа, Э.Ляроше [116] с использованием методологии CEDRE.

Рис.3.217 Распределение локальных чисел Нуссельта по поперечному сечению канала в зоне с одной выемкой (слева, X/D = –0,212) и в зоне с двумя выемками

(справа, X/D = 0,638)

Рис.3.218. Распределение локальных чисел Нуссельта по продольному сечению канала (слева Y/D = 0, справа Y/D = 0.45)

Видно, что результаты расчетов Дж.Парка, Ф.Лиграни [111] достаточно сильно отличаются от экспериментальных данных как по качественным характеристикам, так и по количественным значениям коэффициентов теплоотдачи. Расчетные данные более качественно отражают характер распределения коэффициентов теплоотдачи, но количественно все также далеки от эксперимента. Разница достигает 56%.

248