Монография Попов т3

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Рис.3.244. Ламинарное отрывное обтекание выемки с осесимметричными макровихрями; h/D=0,5; H/D=1,2; течение справа налево; одиночная выемка

Рис.3.245. Ламинарное отрывное обтекание выемки с осесимметричными макровихрями; h/D=0,5; H/D=0,25; течение справа налево; одиночная выемка

279

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Рис.3.246. Ламинарное обтекание выемки с осесимметричными макровихрями и смещенными эпицентрами

Рис.3.247. Ламинарное обтекание выемки с торообразным вихрем (съемка производилась с интервалом 0,1 секунды); h/D=0,41; h/H=2; H/D=0,21; течение справа налево

280

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Рис.3.248. Картина обтекания выемки ламинарным потоком с торообразным вихревым образованием в выемке

Рис.3.249. Неустойчивая вертикальная вихревая структура при ламинарном отрывном обтекании и образовании торообразной вихревой структуры в выемке

При рассмотрении картины обтекании выемок нельзя не рассмотреть вопрос – где производится «захват» в выемку массы из основного потока? На рис.3.252 демонстрируется, что на всех режимах ламинарного обтекания поверхности со сферической выемки новые порции вещества попадают в выемку в районе задней по потоку кромки.

Анализ фото- и видеоматериала показал также, что во всех вышеперечисленных режимах над выемкой никогда не возникает вихревой структуры а так-

281

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

же не выступает достаточно заметных гидродинамических тел. Над большей частью выемок любой глубины на всех исследованных режимах обтекания с образованием вихревых структур линии тока дыма четкие, неразмытые, неотклоняющиеся. Отклонение потока в выемку наблюдается только в области задней части выемки, где происходит захват новых порций из потока.

Рис.3.250. Ламинарное отрывное обтекание выемки с осесимметричными макровихрями; h/D=0,5; H/D=1,2; течение справа налево; система выемок; f=0,67; шахматное расположение; выемка в 5 ряду; интервал съемки 0,1 с; ReD=1000

Рис.3.251. Ламинарное отрывное обтекание выемки с осесимметричными макровихрями; h/D=0,5; H/D=1,2; течение справа налево; система выемок; f=0,67; шахматное расположение; ReDк=200: а – τ=4,2 с; б – 4,8 с

282

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Рис.3.252. Картина обтекания выемки ламинарным потоком

Турбулентное обтекание выемки

Визуализация турбулентного режима обтекания выемок водой показывает, что при h/D=0,18–0.3 характер вихревых структур в выемке не изменяется по сравнению с ламинарных течением, т.е. сохраняется осесимметричная картина течения в зоне рециркуляции с двумя вихревыми структурами (рис.3.240). Данная картина сохранялась во всем исследованном диапазоне скоростей потока,

вплоть до Reh=1931 (w0<0.966 м/с; ReDcl<14359) при h/D=0.18 и до Reh=4828 (те же) при h/D=0.28. При h/D>0.3 при течении воды в выемке в зоне рециркуля-

ции формируется и развивается одиночная вихревая структура (рис.3.240 и рис.3.253), описанная выше. По мере увеличения скорости основного потока происходит начало и увеличение скорости переключения эпицентра вихря симметрично относительно центральной продольной относительно основного потока оси выемки. Все это приводит к увеличению пульсаций выброса массы теплоносителя из выемки в центральном парном вихре и по боковым вихревым структурам. Данная картина сохранялась во всем исследованном диапазоне скоростей потока, вплоть до Reh=7779 (w0<0.972 м/с; ReDcl<14462) при h/D=0.38 и до Reh=10697 (те же) при h/D=0.5.

Турбулентные пульсации в воздушном потоке быстро размывают дым и визуализация здесь затруднена. Единичные результаты визуализации показали, что при h/D=0.14 и Reh=1500 возможно существование режима турбулентного отрывного обтекания выемки с одиночным наклонным вихрем в зоне рециркуляции, имеющего постоянную позицию (рис.3.241).

283

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Для получения картины течения воздуха в окрестности сферической выемки лучше применять сажемасляный способ визуализации. Единичные результа-

ты визуализации для h/D=0.5 и Reh=32000–63000 (w0=30–60 м/с) показывают

(рис.3.255), что практически всю поверхность выемки занимает зона рециркуляции. Наблюдается переключение эпицентров вихревых структур, находящихся практически в области передней кромки выемки и симметрично относительно центральной продольной оси выемки по отношению к основному потоку. Эпицентры сильно смещены к центральной продольной оси. Картина течения близка к описанным картинам обтекания выемок Ф.Лиграни. За выемкой формируется один центральный парный вихрь и боковая пара вихрей.

Рис.3.253. Результаты сажемаслянной визуализации вихревой структуры на дне сферической выемке при турбулентном режиме обтекании: h/D=0,3, h=5 мм, D=16,7 мм, w0=40 м/с, Reh=12000, ReD=40080

В тоже время визуализация при h/D=0.09, w0=40 м/с, Reh=9900 показала, что при данных параметрах выемки существует турбулентное отрывное обтекание выемки с присоединением потока ко дну выемки. При этом установлено, что длина зоны рециркуляции резко уменьшается с ростом скорости, и при Reh=9900 длина зоны рециркуляции не превышает 1/15 длины диаметра выемки по потоку. При этом за выемкой формируется картина подобная описанной выше (рис.3.255).

Рис.3.255 Сажемасляная картина обтекания сферической выемки при турбулентном режиме. Течение слева направо.

284

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

При использовании сажемаслянной визуализации картины течения около поверхности сферической выемки удалось выяснить механизм переключения вихрей при турбулентном режиме течения основного потока и вычислить частоту переключений. Установлено, что частота переключений изменяется значительно при постоянной скорости основного потока. Так при скорости основного потока w0=48 м/с частота переключений изменялась от 1 до 15 сек для выемки с h/D=0,5, h=11 мм, D=22 мм. Это может говорить о влиянии какого–либо дополнительного параметра внешнего потока, неучтенного при обработке экспериментальных данных, например степени турбулентности потока и т.д. Картина переключения вихревой структуры показана на рис.3.254.

Рис.3.254. Эволюция переключения вихревой структуры в сферической выемке при турбулентном режиме обтекания: h/D=0,5, h=11 мм, D=22 мм, Reh=31680, ReD=63360

285

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Рис.3.254 (продолжение). Эволюция переключения вихревой структуры в сферической выемке при турбулентном режиме обтекания: h/D=0,5, h=11 мм, D=22

мм, Reh=31680, ReD=63360

Основные данные по визуализации опубликованы в работах [121–126].

В работе А.А.Халатова и др. [39] выполнена визуализация обтекания мелкой (h/D=0,1) сферической выемки потоком воды в диапазоне скоростей w0=0,079–0,517 м/с (рис.3.256). По результатам визуализации установлено, что режимы обтекания выемки аналогичны приведенным для воздуха: безотрывное ламинарное обтекание показано на рис.3.256а (w0=0,079); ламинарное обтекание с присоединением потока ко дну выемки с образованием зоны рециркуля-

ции – на рис.3.256б–в (w0=0,092–0,146 м/с); на рис.3.256г (w0=0,174 м/с); видно начало формирования ламинарного обтекания без присоединения потока ко дну выемки; ламинарное обтекание без присоединения потока ко дну выемки с образованием осесимметричного парного вихря – на рис.3.256д–к (w0=0,206– 0,517 м/с).

286

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Рис.3.256. Развитие течения в и за СВ [38]: а – w0=0,073 м/с; б – 0,092 м/с; в –

0,146 м/с; г – 0,174 м/с; д – 0,206 м/с; е – 0,229 м/с; ж – 0,269 м/с; з – 0,332 м/с; и

– 0,394 м/с; к – 0,517 м/с; вода; h/D=0,1; течение слева направо

287

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Для схематичного представления развития картин обтекания сферических выемок при изменении скорости потока можно воспользоваться схемой из численных работ А.И. Леонтьева, С.А.Исаева и др., показанной на рис.3.257 (несмотря на то, что она получена при фиксированной скорости и различных относительных глубинах выемок). Видны все стадии: рис.3.257а – безотрывное ламинарное обтекание; рис.3.257б–в – ламинарное обтекание с отрывом и присоединением потока ко дну выемки; рис.3.257г – начало формирования осесимметричного парного вихря в выемке; рис.3.257д–ж – развитие ламинарного обтекания без присоединения потока и развитием в выемке осесимметричного парного вихря; рис.3.257з–к – переходный режим обтекания с осесимметричным парным вихрем; рис.3.257л–м – турбулентное течение, подавление одним из парных вихрей другого, формирование одного наклонного к натекающему потоку вихря.

Рис.3.257. Картина развития обтекания сферических выемок (А.И. Леонтьев, С.А.Исаев)

288