Экспериментальное исследование гидравлических сопротивлений в канале с сотовой структурой

Размещено на http://www.allbest.ru/

Экспериментальное исследование гидравлических сопротивлений в канале с сотовой структурой

В.Т. Буглаев, В.Т. Перевезенцев, М.А. Шилин

Аннотация

гидродинамический сопротивление сотовый структура

Приведены результаты экспериментального исследования гидродинамического сопротивления канала с сотовой структурой на одной из поверхностей при турбулентном режиме течения. Показана зависимость коэффициента гидравлического сопротивления от режимных и геометрических параметров.

Ключевые слова: сотовая структура, гидравлическое сопротивление, турбулентный режим течения, интенсификация трения, коэффициент гидравлического сопротивления.

Важной инженерной проблемой является разработка теплообменных поверхностей, эффективных как с точки зрения интенсификации теплообмена, так и с точки зрения снижения гидравлического сопротивления аппаратов. Практически требуют решения задачи выбора и оптимизации структуры теплопередающих поверхностей в широком диапазоне режимов их обтекания.

В настоящее время широко обсуждаются особенности течения на поверхностях с упорядоченными рельефами из сферических углублений (лунок) [1] с возможной самоорганизацией смерчевых структур в потоке.

В ряде работ, например в [2], делается попытка исследования особенностей течения в каналах с сотовой структурой на стенках с целью интенсификации уплотняющего эффекта в зазорах, оптимизации величин радиальных зазоров в турбинах и компрессорах и в конечном счете повышения экономичности и надежности турбомашин.

В настоящей статье обсуждаются результаты исследования гидравлического сопротивления каналов, одной из поверхностей которых является ячеистая (сотовая) структура, в широком диапазоне режимных и геометрических параметров.

Рабочий участок и стенд для исследования гидравлических характеристик канала с сотовой структурой. Для исследования гидродинамического сопротивления канала с сотовой структурой была создана экспериментальная установка, газодинамический тракт рабочего участка которой представлял собой канал прямоугольного сечения шириной B=60 мм и длиной L0=230 мм (рис. 1).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Схема щелевого канала с сотовой структурой на одной из стенок

Основными элементами рабочего участка являются сменные металлические пластины с напаянной сотовой структурой, имеющей 5 рядов по 14 ячеек в каждом.

Геометрические характеристики экспериментальных моделей для исследования сопротивления щелевого тракта имели следующие значения: диаметр вписанной в ячейку окружности =12 мм, глубина ячейки =2,4…15 мм. Высота канала д изменялась от 6 до 12 мм за счет передвижения нижней стенки рабочего участка.

Для обработки опытных данных использовались следующие геометрические комплексы:

- относительная глубина сотовых ячеек;

- относительная высота канала над поверхностью с сотовой структурой.

Необходимо отметить, что относительная площадь поверхности, занимаемая сотами и вычисляемая по формуле , имеет значение 1,0 ( и - поперечный и продольный шаги сотовых ячеек).

Набор изготовленных пластин с сотовой структурой позволил исследовать гидравлическое сопротивление при следующих значениях определяющих параметров:

=0,2…1,25; =0,5…1,0. Также он позволил выявить влияние каждого из этих факторов в отдельности. Такое сочетание конструктивных параметров стенда обеспечивало исследование гидравлического сопротивления в диапазоне режимов течения .

Пластины с сотовой структурой, формирующие щелевой тракт, препарировались отборами статического давления p потока в двух фронтальных сечениях канала: на расстоянии м до начала контрольного участка длиной L=170 мм (pвх) и на выходе из него на расстоянии м (pвых). В каждом сечении устанавливалось шесть отборов статического давления - по три на каждой противоположной пластине. В рабочий канал воздух попадал непосредственно из атмосферы с регистрируемым давлением pн. Температура потока на входе в рабочий участок измерялась лабораторным термометром, перепад статических давлений - наклонными спиртовыми дифференциальными манометрами. Величина массового расхода воздуха определялась при помощи стандартного суживающего устройства.

Методики обработки и обобщения опытных данных. Целью экспериментальных исследований являлось определение коэффициента гидравлического сопротивления контрольного участка канала с сотовой структурой на одной из поверхностей.

Для этого использовалось уравнение Бернулли для сжимаемых потоков в дифференциальной форме [1]

,

которое с учетом уравнения неразрывности и состояния после интегрирования для случая изотермического потока в канале постоянного сечения приобретает вид

,

где и - величина массового расхода воздуха и площадь поперечного сечения канала соответственно; L - длина контрольного участка канала; - гидравлический диаметр канала; R, T - газовая постоянная и температура рабочего тела; pвх, pвых - давления рабочего тела на входе и выходе рабочего канала; - изменение (потери) статического давления в потоке рабочего тела на контрольной длине L канала.

Экспериментальные исследования проводились в изотермических условиях без теплообмена продувкой воздухом с температурой Тн окружающей среды. Изменение коэффициента гидравлического сопротивления на контрольном участке канала представлялось в виде зависимости от числа , где - массовая скорость потока, вычисленная по исходной площади канала ; - гидравлический диаметр канала, вычисленный без учета влияния сотовой структуры на объем и поверхность канала.

Для проведения квалификационных опытов и отладки стенда перед каждой серией экспериментов использовались гладкие каналы, аналогичные по своим геометрическим параметрам (ширина канала B, высота канала , суммарная протяженность канала L0) трактам с сотовой поверхностью. Результаты измерения коэффициентов трения в этих испытаниях использовались для определения искомых величин интенсификации трения в каналах с сотовой структурой.

Результаты опытного исследования коэффициентов трения:

Квалификационные опыты. Полученные результаты измерений коэффициентов трения в каналах с гладкими стенками показаны на рис. 2 в виде зависимости . Там же показана известная экспериментальная зависимость Блазиуса (линия а), рекомендуемая для расчетов гидравлического сопротивления в гладкостенных каналах в диапазоне чисел . Совпадение полученных значений с зависимостью Блазиуса свидетельствует о достоверности выполненных экспериментальных исследований трения в прямоугольном канале с сотовой структурой.

Влияние режима течения потока (чисел ) на гидравлическое сопротивление в канале с сотами. Выполненные испытания образцов № 1-7 с различной относительной глубиной ячеек показали, что размещение сотовой поверхности на одной из стенок прямоугольного канала приводит к увеличению коэффициента гидравлического сопротивления на поверхности с сотами и коэффициента гидравлического сопротивления канала в целом при любых исследованных значениях и сотовой структуры по сравнению с аналогичными характеристиками для канала с гладкими стенками во всем диапазоне чисел . Полученные значения коэффициента гидравлического сопротивления канала с сотовой структурой на одной из поверхностей показаны на рис. 2.

На этом же рисунке приведены для сравнения некоторые результаты экспериментальных исследований поверхностей с лунками [1], сравнимыми по глубине () с сотами.

Характер зависимости коэффициента гидравлического сопротивления на трактовой поверхности с сотами на начальном участке практически аналогичен характеру зависимости для гладких каналов до значений . Зависимость для гладкого канала состоит из двух характерных участков: степенного (вида с ) в области < и автомодельного (вида ) в области >. Анализ зависимостей от числа для каналов с сотовой структурой при различных значениях параметра показал, что характерный участок автомодельности у всех образцов, за исключением образца с =0,5, начинается при . Следует отметить, что при экспериментальных исследованиях гидравлических сопротивлений каналов с лунками авторы [1] описали подобное явление на образцах с большой относительной глубиной лунок (=1,0; =0,35), для которых коэффициент сопротивления во всем исследуемом авторами диапазоне чисел оказался практически независимым от (линия б на рис. 2).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2. Результаты измерения коэффициента гидравлического сопротивления л_У контрольного участка канала с сотовой структурой на одной из стенок:

а - гладкостенные квалификационные модели;

б - сферические углубления (; ) [1];

в - сферические углубления (; ) [1]; группа 1 ():

г - ; д - ;

e - ; ж - ; з - ; и - ;

к - ; группа 2 (): л - ; м - ;

н - ; о - ; п - ; р - ;

с - группа 3 (): т - ; у -

Зависимость коэффициента сопротивления канала с сотами для образца с =0,5 при имеет такой же, как для остальных образцов, начальный участок, однако затем возрастает и входит в зону автомодельности при . Данное явление можно объяснить особенностями течения в канале и характером вихреобразования в сотовой ячейке указанной относительной глубины.

Также принципиально иной характер зависимости можно наблюдать при уменьшении величины относительного зазора до 0,5 (группа 2 на рис. 2). При увеличении числа коэффициент гидравлического сопротивления увеличивается, кроме образца с . Увеличение сопротивления канала может быть связано с изменением характера вихреобразования в сотовых ячейках вследствие влияния на течение в зоне смешения вблизи сот противоположной стенки канала.

Во всем исследуемом диапазоне коэффициенты гидравлического сопротивления каналов с сотовой структурой всегда превышают аналогичные коэффициенты сопротивления в гладкостенных каналах, а также коэффициенты сопротивления для рельефов со сферическими углублениями (линии б, в на рис. 2). Степенью этого превышения является показатель интенсификации трения в условиях , зависящий только от сочетаний параметров рельефа и канала ( и ). При этом для всех исследованных образцов (за исключением сотовой структуры с =0,5) зависимости в диапазоне ? располагаются выше базовой зависимости для каналов с гладкими стенками со смещением по линии .

Указанные особенности экспериментальных зависимостей коэффициента гидродинамического сопротивления дают возможность находить закон трения в каналах с сотовой структурой в виде зависимости

.

Учитывая известные зависимости гидродинамического сопротивления в гладких каналах для переходной (?) и автомодельной () областей режимов течения

при ?,

при ,

можно записать:

при ?,

при .

Следует отметить, что указанные показатели интенсификации трения для переходной ( для ?) и автомодельной ( для ) областей режимов течения отличаются друг от друга (?), причем при увеличении числа монотонно увеличивается до .

Влияние относительной глубины сотовых ячеек на гидродинамическое сопротивление канала. На основе полученных экспериментальных данных были построены зависимости степени интенсификации сопротивления в канале с сотовой структурой при различной ее относительной глубине (рис. 3).

Рис. 3. Влияние относительной глубины сотовой структуры на гидродинамическое сопротивление канала

Как видно из рисунка, степень интенсификации сопротивления не прямо пропорциональна величине , а имеет максимум (при ), зависящий от величины относительного зазора Особенно указанное явление заметно при малых зазорах (=0,5), что объясняется усилившимся влиянием противоположной стенки на течение в канале и деформацией характерного для сотовой поверхности поля скоростей [2].

Проведенные исследования показали, что при малых зазорах (?0,5) прослеживается взаимное влияние трения потока о гладкую и сотовую поверхности. Поэтому зависимость для разных зазоров имеет вид, отличный от приведенного в работе [1], что также объясняется перестройкой потока в ячейках сот при наличии противоположной стенки.

На основе экспериментальных данных можно сделать вывод о том, что характер течения и гидродинамическое сопротивление в канале с сотовой структурой значительно зависят от режима течения () и геометрических параметров канала () и самой структуры (). В зависимости от относительного зазора изменяется не только величина сопротивления канала, но и максимальное ее значение при различной относительной глубине . Описанные явления указывают на необходимость дальнейшего детального исследования влияния режимных и геометрических параметров на течение в канале с сотовой структурой.

Список литературы

1. Ануров, Ю.М. Опытное исследование гидравлических сопротивлений в прямых щелевых каналах с упорядоченными системами сферических углублений / Ю.М. Ануров, К.Д. Андреев, В.Г. Полищук [и др.] // Теплоэнергетика. - 2007. - №7.

2. Буглаев, В.Т. Сотовые уплотнения в турбомашинах: монография / В.Т. Буглаев, В.Т. Перевезенцев [и др.]. - 2-е изд., перераб. и доп. - Брянск: БГТУ, 2006. - 192 с.

Размещено на Allbest.ru