Монография Попов т3

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Рис.3.219. Распределение чисел Нуссельта по поверхности со сферическими выемками: слева – эксперимент; в центре – расчет по ППП FLUENT; справа – расчет по ППП CEDRE

В работе В.Патрика [117] числено исследовано строение трехмерного течения и его влияние на теплоотдачу в каналах со сферическими выемками на одной стенок. Глубина выемок выбиралась для обеспечения соотношения глубины выемки к высоте канала, равным h/H=0,4, а к диаметру выемки – h/D=0,2. Вычисления проводились в диапазоне чисел Рейнольдса от ReH=25 (ламинарный режим течения) до RеH=2000 (турбулентный режим) при постоянном тепловом потоке на стенке.

На рис.3.220 показаны распределения линий тока в среднем продольном сечении выемки при различных числах Рейнольдса. При самом низком числе Рейнольдса Rе=25 обтекание выемки безотрывное. Поток отделяется в ребре атаки впадины, и отрывной сдвиговый слой тянется над полостью выемки, где он снова присоединяется к поверхности выемки вниз по течению. При увеличении числа Рейнольдса, зона рециркуляции становится интенсивней и занимает все большую площадь. Точка присоединения сдвигается к задней по ходу течения кромке выемки. Это происходит вплоть до Re=1020. Начиная с Re=1020 движение в выемке начинает развиваться асимметрично и переходит к хаотическому состоянию при Re=1130. Теплоотдача наиболее интенсивна в зоне за выемкой, ниже от нее по течению Зоне рециркуляции характерны наименьшие значения коэффициента теплоотдачи.

На рис.3.221 изображаны изоповерхности мгновенной когерентной завихренности на покрытой сферическими выемками поверхности. При ламинарном режиме течения завихренность сконцентрирована симметрично около продольной центральной оси выемки по ходу течения, вверх и вниз по течению. При Rе=1020 появляется асимметрия распределения когерентной завихренности в области присоединения потока к задней по ходу течения грани выемки.

249

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Рис.3.220. Распределение линий тока в плоскости центра выемки при различных скоростях основного потока

При Rе=1130 происходит переход потока к неустойчивому состоянию и увеличению генерации завихренности в области присоединения потока. При Rе=2000 коэффициент генерации завихренности самый высокий. Завихренность, генерируемая в области присоединения, в этом случае выходит из выемки в основной по-

Рис.3.221 Изоповерхности мгновенной ток и распространяется на боль- когерентной завихренности шую площадь за выемкой и занимает до половины площади выем-

ки.

Распределение полной когерентной завихренности по вертикальному сечению вдоль потока (по центральной продольной оси выемки) показано на

250

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

рис.3.222. При Rе=280 завихренность сконцентрирована в отрывном сдвиговом слое и на кромках выемки вверх и вниз по течению. Данное распределение справедливо до Rе=1020. После Rе=2000 завихренность значительных масштабов сконцентрирована в задней по течению половине выемки и также на площадке между выемками.

Рис.3.222 Результаты расчета осредненной по времени когерентной завихренности по средней линии впадины поперек канала

На рис.3.224 показа распределения отношений локальных чисел Нуссельта на поверхности с выемками и на гладкой поверхности при ламинарном течении. Как было показано ранее различными исследователями, максимальная теплоотдача наблюдается около нижней по течению кромки выемки. Рециркуляционное течение в выемке обуславливает низкие значения коэффициентов теплоотдачи в выемке. При Rе=280, 570, 1020, 1130 и 1600 теплоотдача на первой по ходу течения половине выемки ниже уровня теплоотдачи на исходно гладкой поверхности. Область с максимальной теплоотдачей при низких числах Рейнольдса приходится на зону присоединения сдвигового слоя и ниже по течению, включая некоторую область за выем-

251

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

кой. Максимальная интенсификация достигает 1,2 раз при Rе=280. При увеличении числа Рейнольдса область максимальной теплоотдачи в выемке сокращается в размере, но возрастает величина интенсификации. Максимуму интенсификации теплоотдачи в зоне присоединения потока составляет 9 раз при

Rе=2000.

Рис.3.224. Распределения отношений локальных чисел Нуссельта на поверхности с выемками и на гладкой поверхности

Рис.3.225. Распределения отношений локальных чисел Нуссельта на поверхности с выемками и на гладкой поверхности: а – эксперимент Бурджеса и др. [60] при Rе=17200; б – результаты численного исследования В.Парика [117] при

Rе=2000

На рис.3.225a показаны результаты экспериментального исследования локальной теплоотдачи на поверхности со сферическими выемками, полученные в работе Н.К.Бурджеса и др. [60,101] при Rе=17200.

252

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Рис.3.226. Вторичные течения в сечении поперек сферической выемки: a – векторы скорости из расчетной работы [118]; b – векторы скорости из расчетной работы Парка и др. [111]; c – векторы скорости из расчетных работ С.А.Исаева и др. [7,107]; d – результаты визуализации течения Ф.Лиграни и др. [33,35,36]

Рис.3.227. Распределение коэффициентов локальной теплоотдачи Nu/Nu0: a – результаты работы [118]; b – результаты Дж.Парка и др. [111]; c – результаты работы Н.К.Бурджеса и др. [101]; d – результаты работы С.Д.Хванга [119]

Для сравнения на рис.3.225b приведено распределение локальных коэффициентов теплоотдачи, полученные числено при Rе=17200 Ф.Лиграни и др. в работе [33,35.36] использовали k-ε модель для подобной геометрии выемок и

253

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

коммерческое программное обеспечение Fluent. Существует значительная разница в полученных значениях коэффициентов теплоотдачи. В то время как экспериментально измеренное максимальное увеличение теплоотдачи достигает 4 раз вниз по течению за выемкой, полученные в ходе численного эксперимента значения достигают лишь 2,3. Экспериментально и численно полученные значения интенсификации интенсификация теплоотдачи различаются практически на 100%. Несколько различаются и распределения коэффициентов теплоотдачи по поверхности, особенно в области задней кромки по ходу течения выемки.

В работе [118] проведено исследование теплоотдачи в канале относительной высоты H/D=0,5 со сферическими выемками относительной глубины h/D=0,2 при числе Re=20000. Рис.3.226 показывает, что полученные результаты по линиям тока вторичных течений хорошо согласуются с данными других авторов и экспериментальными данными. Рис.3.227 показывает, что полученные результаты по теплоотдаче согласуются с данными других авторов менее удачно.

3.2.5. Выводы

Практическое применение сферических выемок для интенсификации теплообмена на поверхности твэлов ЯЭУ, в охлаждающих каналах лопаток турбин ГТУ и экономическая (теплогидравлическая) целесообразность внедрения достижений теории и опыта интенсификации теплоотдачи в технику стимулируют современные исследования влияния сферических выемок на перенос тепла и импульса около стенки. Сложность отрывного течения на поверхности и в каналах со сферическими выемками обусловила, в основном, экспериментальное изучение гидродинамики, теплообмена и эффектов интенсификации теплоотдачи на поверхностях и в каналах со сферическими выемками. Получена значительная качественная и количественная информация. Однако не выработана безусловно признанная обобщенная картина гидродинамических событий на поверхностях со сферическими выемками, которая способна продуктивно содействовать развитию методов теплогидравлиечского расчета каналов со сферическими выемками, многие принципиальные вопросы этой картины пока не решены. Например, не выяснен, вполне убедительно, базовый механизм интенсификации для поверхностей и каналов со сферическими выемками (предположение о ведущей роли “смерча” в форсировании турбулентного переноса тепла на поверхностях с выемками, выдвинутое в ряде работ, оспаривается в других работах: “гипотеза о смерчевом механизме интенсификации теплоотдачи пока не получила необходимого опытного обоснования”). Сомнительно существование эффекта интенсификации теплоотдачи на поверхности собственно сферической выемки в турбулентном потоке. Отсутствует общепринятое представление о влиянии выемки на переносные свойства потока после нее. Не установлены достоверные размеры сферической выемки, соответствующие границе между безотрывным и отрывным обтеканием выемок и т.д. Кроме того, в литера-

254

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

туре иногда, к сожалению, ощущается некоторая тенденциозность при описании гидродинамических свойств сферических выемок, как интенсификатора теплообмена, – предпринимаются попытки представить сферические выемки, как совершенно особенный, исключительный по свойствам и эффективности способ интенсификации теплоотдачи. Следовательно осмысление и исследование существа гидродинамических и теплообменных процессов около поверхностей с выемками остаются вполне актуальными для разработки перспективного энергооборудования.

Имеющиеся работы по численным исследованиям и прогнозированию теплогидравлических характеристик на базе стандартных пакетов прикладных программ типа Fluent, Star–CD, Ansys, CFX и др., а также индивидуальных программных продуктов, дают удовлетворительные данные по картинам обтекания сферических выемок, однако численные решения для коэффициентов теплоотдачи и трения дают различие между тестовыми экспериментальными данными и результатами расчета не менее 50–100%. Результаты численных решений зависят от опыта исследователя по выбору оптимального размера шага сетки и модели турбулентности.

255