Монография Попов т3

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Для интенсифицированных поверхностей обработка данных производится по показания тепловизора и обработки инфракрасного тепловизионного изображения с помощью стандартного программного обеспечения.

В опытах использовалась тепловизионная инфракрасная камера NEC TH71 и программное обеспечение.NEC Image Processor ver.4.7. build.4.7.26 и NEC Thermograthy Explorer ver.4.7. build.4.7.26.

На описанном участке производилась также визуализация обтекания воздушным потоком одиночных выемок с помощью сажемаслянных покрытий.

3.3.2. Результаты тестовых испытаний

Полученные данные по теплоотдаче и гидравлическому сопротивлению в каналах со сферическими интенсификаторами сравнивались с экспериментальными данными для гладкого канала. Гладкий канал по длине и ширине совпадал с каналом с интенсификаторами.

в

Рис.3.239. Сравнение данных по гидросопротивлению теплоотдаче в каналах со сферическими выемками, полученных автором, с данными других исследователей: а – сравнение с данными [50]; б – [57]; в – [120]; точки – данные авторов

269

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Результаты квалификационных опытов по теплоотдаче и гидравлическому сопротивлению, представлены хорошо согласуются с известными зависимостями для плоского пустого канала. Отклонение опытных данных от расчетной зависимости составляет: по теплоотдаче ± 10%, по гидравлическому сопротивлению ±11%. Расхождение между опытными и расчетными зависимостями может быть объяснено за счет различия условий проведения экспериментов.

Перед началом обсуждения результатов экспериментального исследования были проведены сравнения с ранее полученными данными по поверхностям со сферическими выемками. Выделялись работы Г.П.Нагоги [50] (рис.3.239а), М.Я.Беленького и др. [57] (рис.3.239б) и работы Р.Д.Амирханова и др. [120] (рис.3.239в). В области относительно мелких выемок наблюдалось хорошее совпадение данных, с отклонениями не более от ±5 до ±20%. Однако с увеличением глубины выемок наблюдается значительное отклонение по гидросопротивлению, что по видимому связано с чистотой обработки поверхности и условиями стесненности канала.

270

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи

вканалах теплообменного оборудования

3.3.3.Результаты визуализации течения в каналах со сферическими выемками

Вработе проводилась визуализация течения воды и воздуха в плоском канале с односторонним расположением, как одиночной сферической выемки, так

иупорядоченного рельефа сферических выемок.

Визуализация течения воздуха проводилась в каналах прямоугольного сечения шириной 96 мм при варьировании высоты канала в диапазоне от 2 до 12 мм. Идентификация режимов течения производилась с помощью визуализации на основе генерации и впрыска в канал дыма. Дым в канал подавался порционно, с отсечкой подачи дыма в канал на момент формирования вихревой структуры. После полной выработки дыма в канал подавалась новая порция дыма и т.д.Абсолютные значения геометрии сферической выемки с острыми кромками изменялись в следующем диапазоне: глубина сферической выемки h=0,71–24 мм; диаметр сферической выемки D=7–58 мм. Это позволяло получить следующие безразмерные конструктивные параметры интенсификаторов и канала – h/D=0,1–0,5; h/H=0,06–2,5; H/D=0,2–2,3; относительное увеличение площади поверхности за счет наличия выемок – 0,6–0,8. Такое сочетание параметров обеспечивало исследование гидросопротивления и теплоотдачи, как в стесненных, так и в нестесненных каналах. В исследовании обеспечивался широкий диапазон чисел Рейнольдса ReD от 20 до 30000, рассчитанных через эквивалентный диаметр канала. Визуализация проводилась с использованием видео- и фотосъемки.

Визуализация обтекания поверхностей с рельефами сферических выемок проводилась и при течения воды в плоском канале с односторонним расположением сферических выемок при температуре теплоносителей 15–20ºС. При исследовании на воде использовался канал шириной 30 мм при высоте канала H=10 мм. Абсолютные значения геометрии сферической выемки с острыми кромками изменялись в следующем диапазоне: глубина h=2–11 мм; диаметр сферической выемки D=11–22 мм, что позволяло получить следующие безразмерные параметры интенсификаторов и канала – h/D=0.14–0.5; h/H=0.06–2.0; H/D=0.21–1.42. Визуализация проводилась с использованием видео- и фотосъемки.

Ламинарное безотрывное обтекание

Для относительно неглубоких выемок при малых скоростях обтекание выемок происходит ламинарным потоком без отрыва потока. Обтекание сферической выемки жидкостью или газом обуславливает расширение потока в створе выемки за счет локального изменения геометрических характеристик канала. Это расширение потока в створе выемки вызывает торможение движущихся

271

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

частиц на ее передних скатах. Данная картина течения достаточно неустойчивая и при малейших изменениях внешних условий – резкого изменения скорости потока, внешней турбулентности, вибрации поверхности и т.д. – происходит отрыв потока в выемке на переднем скате. Для течения воды данный режим наблюдался в выемках с h/D=0.18–0,38 (рис.3.240), причем для h/D=0.18 данный режим распространялся до чисел Reh=22 (w0<0.011 м/с; ReDcl<163), а для h/D=0,28 – до Reh=15 (w0<0.003 м/с; ReDcl<44). Как видно, увеличение относи-

тельной глубины выемок приводит к более раннему наступлению отрыва потока в выемке. Ламинарное безотрывное обтекание наблюдалось и при течении в канале воздуха при h/D=0.14 и 0.21 (рис.3.241). Однако границы режима определить не удалось из–за сложности измерения малых расходов теплоносителя на стенде. Существование данного режима не отрицается и при h/D>0.3 (рис.3.240).

Ламинарное обтекание выемки с присоединением потока

При дальнейшем увеличении скорости течения теплоносителей происходит отрывное обтекание выемки с присоединением потока в выемке и образованием рециркуляционной зоны, подобной обтеканию обратного уступа.

Для течения воды и воздуха данный режим наблюдался в выемках во всем диапазоне значений h/D (рис.3.240 и 3.241). При течении воды для h/D=0.18 данный режим распространялся до чисел Reh=124 (w0<0.062 м/с; ReDcl<923), для

h/D=0.28 – до Reh=120 (w0<0.024 м/с; ReDcl<356), для h/D=0.38 – до Reh=88 (w0<0.011 м/с; ReDcl<163), а для h/D=0.5 – до Reh=33 (w0<0.003 м/с; ReDcl<44).

При течении воздуха для h/D=0.14 данный режим распространялся до чисел

Reh=187, для h/D=0.21 – до Reh=6, а для h/D>0.31 границы режима не были оп-

ределены из–за сложности измерения малых расходов теплоносителя на стенде. Как видно, увеличение относительной глубины выемок приводит к более раннему наступлению следующего отрывного течения потока.

Следует отметить, что течение в рециркуляционной зоне имеет практически хаотический характер, а скорость движения объемов массы очень мала. Выброс массы из зоны рециркуляции в основной поток осуществляется в областях центральной поперечной по отношению к потоку оси выемки (рис. 3.240

и 3.241).

Длина зоны рециркуляции в выемке зависит от ее относительной глубины, Reh, толщины пограничного слоя и степени турбулентности натекающего потока. При этом выявлено, что основное влияние на длину зоны рециркуляции оказывает толщина пограничного слоя натекающего потока – увеличение толщины пограничного слоя приводит к уменьшению длины зоны рециркуляции.

272

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Рис. 3.240. Эволюция вихревых структур при различных режимах обтекания одиночных сферических выемок различной относительной глубины h/D. Поток слева направо.

273

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Рис. 3.240 (продолжение). Эволюция вихревых структур при различных режимах обтекания одиночных сферических выемок различной относительной глубины h/D. Поток слева направо.

Рис.3.241. Результаты визуализации обтекания сферических выемок воздушным потоком: течение справа налево

274

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Ламинарное обтекание выемки с осесимметричными макровихрями: при h/D=0.14 – Reh=187–265; h/D=0.21 – Reh=6–400; h/D=0.31 – Reh=2–750; h/D=0.41 – Reh=36–1800; h/D=0.5 – Reh=16,5–2000

Рис.3.241 (продолжение). Результаты визуализации обтекания сферических выемок воздушным потоком: течение справа налево

Ламинарное течение без присоединения в выемке

Увеличение скорости потока приводит к увеличению скорости и упорядочению движения теплоносителя в зоне рециркуляции. Хаотическое движение теплоносителя в зоне рециркуляции перерождается в упорядоченное движение в виде двух вихревых структур с эпицентрами на двух противоположных стенках относительно центральной продольной по отношению к потоку оси выемки

(рис.3.240 и 3.241).

Вихревые структуры имеют эпицентр, тело вихря и замыкаются размываясь на центральной продольной оси выемок. Отмечено, что практически отсутствует обмен массой между правой и левой зоной рециркуляции относительно центральной продольной оси и вихревыми структурами в них. Эпицентры изменяют свое положение в зависимости от скорости натекающего потока. При малых скоростях эпицентры находятся ближе к области задней кромки. С увеличением скорости они продвигаются ближе к передней кромке со смещением к центральной продольной оси.

При возникновении и малых скоростях оси вихревых структур лежат практически на одной линии. По мере увеличения скорости и смещения эпи-

275

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

центров вперед по потоку происходит искривление оси и вырождение ее в дугу. При значительных скоростях оси вихревых структур имеют сложную конфигурацию. По мере движения от эпицентра к центральной продольной оси выемки ось сама закручивается относительно своего первоначального положения.

Длина зоны рециркуляции при данном режиме резко увеличивается и занимает практически всю область дна выемки. Присоединение потока осуществляется в серповидной области на задней по ходу движения теплоносителя кромке выемки.

Выброс массы из зоны рециркуляции с вихревыми структурами осуществляется в виде центрального парного вихря в области задней кромки по центральной продольной оси выемки и в виде двух боковых вихрей с боковых по ходу движения теплоносителя стенок выемок. Боковые вихри имеют малую степень закрутки, обусловленную кривизной поверхности в зоне боковых кромок. Выброс массы теплоносителя из выемки носит пульсационный характер. Частота пульсаций выбросов зависит от скорости натекающего потока – с увеличением скорости частота пульсаций выбросов увеличивается. Пульсация выброса приводит к увеличению пульсаций вихревой зоны. Переключения работы вихрей не наблюдалось при всей продолжительности наблюдений.

Для течения воды и воздуха данный режим наблюдался в выемках во всем диапазоне значений h/D (рис. рис.3.240 и 3.241). При течении воды для h/D=0.18 данный режим распространялся до чисел Reh=531 (w0<0.266 м/с;

ReDcl<3949), для h/D=0.28 – до Reh=690 (w0<0.138 м/с; ReDcl<2051), для h/D=0.38

– до Reh=910 (w0<0.114 м/с; ReDcl<1692), а для h/D=0.5 – до Reh=533 (w0<0.048 м/с; ReDcl<721).

При течении воздуха для h/D=0.14 данный режим распространялся до чи-

сел Reh=265, для h/D=0.21 – до Reh=400, для h/D=0.31 – до Reh=750, для h/D=0.41 – до Reh=1850, для h/D=0.5 – до Reh=2000. Здесь также видно, что увеличение относительной глубины выемок приводит к более раннему по скорости основного потока наступлению следующего отрывного течения потока. Более детально режим ламинарного обтекания без присоединения в выемке с h/D=0,14–0,5 (при диаметре образующей сферы D=10–22 мм) с образованием осесимметричной вихревой структуры показан на рис.3.242–3.245. Схема обтекания выемки при данном режиме наглядно продемонстрирована на рис.3.246.

Необходимо отметить, что при h/D>0.38 в конце данного режима наблюдалось подавление одной вихревой структурой другой, заключающейся в первоначальной потере устойчивости оси симметрии вихревых структур в выемке и в периодическом изменение угла центральной оси симметрии зоны рециркуляции с вихревыми структурами относительно направления потока от +15º до – 15º, а затем к увеличению данного угла и началу перемещения одного из эпицентров вихревых структур к задней кромке до его полного вытеснения из выемки. Другой эпицентр при этом остается на месте, а его вихревая структура увеличивается по длине, занимая зону противоположного вихря. На рис.3.241– 3.249 для выемки с h/D=0.41 при течении воздуха с Reh=2000–2200 показаны результаты визуализации и схема одиночной вихревой структуры в выемке с

276

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

осью, наклоненной под 45º к центральной продольной оси и плоскости поверхности.

Все вышеперечисленные материалы относятся к ламинарному режиму течения основного потока в канале с выемками. Данный режим определялся на основе визуализации и характеризовался четкими, неразмытыми и прямыми линиями течения основного потока в канале. Ламинарно-турбулентный переход фиксировался как начало полного размытия траектории движения впрыскиваемого красящего вещества (тушь, дым). В области переходного и турбулентного течения основного потока визуализация дымом в потоке воздуха не дает хороших результатов.

Приведенные в данном разделе «верхние» границы режима характеризуют начало ламинарно–турбулентного перехода. Из анализа значений чисел ReDch видно, более ранний ламинарно–турбулентный переход наблюдается со значений h/D близких к 0.3.

Необходимо отметить, что при обтекании нескольких рядов (шахматных или коридорных) выемок в первых рядах могут реализовываться различные режимы обтекания. Это связано с изменением условий натекания потока на последующие ряды – скоростью потока и ее распределением в канале, параметрами турбулентности, толщиной пограничного слоя и т.д. Обтекание систем выемок показано на рис.3.250 и 3.251.

Рис.3.242. Ламинарное обтекание выемки с осесимметричными макровихрями; h/D=0,14: 1–6 – результаты дымовой визуализации с интервалом 0,25 с; ReDк=500–2000

277

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Рис.3.243. Ламинарное обтекание выемки с осесимметричными макровихрями; h/D=0,21; H/D=0,25; течение справа налево; ReDк=500–2000

278