Теплообмен и гидравлическое сопротивление кольцевого канала с непрерывной закруткой потока и сферическими выемками на выпуклой поверхности

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

Теплообмен и гидравлическое сопротивление кольцевого канала с непрерывной закруткой потока и сферическими выемками на выпуклой поверхности

01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника;

01.02.05. - Механика жидкости, газа и плазмы

кандидата технических наук

Максимов Николай Флавиевич

Казань, 2010

Работа выполнена на кафедре газотурбинных, паротурбинных установок и двигателей Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева

Научные руководители:

доктор технических наук, профессор А.В. Щукин

кандидат технических наук, доцент А.В. Ильинков

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор С.Э. Тарасевич

кандидат технических наук, доцент И.Я. Хасаншин

Ведущая организация: Исследовательский центр Проблем энергетики Казанского научного центра РАН.

Защита состоится “30” июня 2010г. на заседании диссертационного совета Д212.079.02 при Казанском государственном техническом университете им. А.Н.Туполева по адресу: 420111, г.Казань, ул. К.Маркса, 10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КГТУ им. А.Н. Туполева. Электронный вариант автореферата размещен на сайте КГТУ им. А.Н.Туполева (www.kai.ru).

Автореферат разослан __ мая 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент А.Г. Каримова

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Разработка энергосберегающих технологий в энергомашиностроении, создание эффективных систем охлаждения для высокотемпературных газотурбинных установок и двигателей, разработка компактных и экономичных теплообменных устройств непременно связаны со снижением потерь энергии на прокачку теплоносителей. Одним из путей создания экономичных теплообменников и систем охлаждения является использование пристенной интенсификации теплообмена. Высокая энергетическая эффективность таких способов увеличения теплоотдачи позволяет снизить гидродинамические потери в теплообменных каналах.

В последние годы, судя по многочисленным публикациям, проводятся исследования по физическому и численному моделированию течений около поверхностей с пристенными интенсификаторами теплообмена. При всем разнообразии формы таких теплообменных поверхностей задача нанесенных на поверхность элементов регулярной макрошероховатости - разрушить образовавшийся пограничный слой, турбулизировать пристенное течение и генерировать крупномасштабные вихри.

Промышленное освоение таких способов интенсификации конвективного теплообмена требует не только решения технологических вопросов, но и разработки инженерных методов расчета теплогидравлических характеристик теплообменных каналов с нанесенными на их поверхность выступами или выемками.

Часто в практически важных случаях процессы интенсификации теплообмена реализуются при сложных граничных условиях.

Как показывают многочисленные исследования, воздействие на поток центробежных сил деформирует гидродинамическую картину течения, что, в свою очередь, изменяет интенсивность конвективного теплопереноса. Так, при обтекании выпуклой поверхности центробежные силы снижают коэффициент теплоотдачи. Такой же эффект получается при обтекании выпуклой поверхности кольцевого канала с непрерывной закруткой потока. Важным и актуальным, в связи с этим, являются мероприятия по повышению теплоотдачи на выпуклой поверхности кольцевых каналов с закруткой потока.

Имеются исследования теплоотдачи в таких каналах с начальной закруткой потока, где на выпуклую его поверхность нанесены продольные низкие ребра, интенсифицирующие теплоотдачу. Опубликованы также единичные результаты исследования теплоотдачи около выпуклой поверхности короткого криволинейного канала с одиночной сферической выемкой. Однако указанные результаты исследований не позволяют разработать научно обоснованный инженерный метод расчета теплоотдачи и гидравлического сопротивления кольцевых каналов с нанесенными на его выпуклую поверхность сферическими выемками вследствие неодинаковой гидродинамической картины их обтекания. В связи с этим тема диссертационной работы, посвященной исследованию теплообмена и гидродинамики в кольцевом канале со сферическими выемками на выпуклой поверхности и непрерывной закруткой потока, представляется актуальной.

Цель работы: сформулировать и обосновать рекомендации по расчету интенсификации теплообмена сферическими выемками на выпуклой поверхности кольцевого канала и его гидравлического сопротивления в условиях непрерывной закрутки потока шнеком.

Задачи исследования:

1. Выполнить экспериментальное исследование и обобщить данные по средней теплоотдаче на выпуклой поверхности кольцевого канала со сферическими выемками при непрерывной закрутке потока шнеком.

2. В тех же условиях провести исследование и обобщить опытные данные по гидравлическому сопротивлению кольцевого канала с непрерывной закруткой потока и сферическими выемками на выпуклой поверхности.

3. На основе визуализации течений, а также сравнительного исследования полей скорости и температуры выявить механизм происходящих в кольцевом канале теплогидравлических процессов.

4. Оценить теплогидравлическую эффективность исследованного способа интенсификации теплообмена; разработать рекомендации по выбору рациональных вариантов интенсификации теплообмена в рассматриваемых условиях и по расчету теплогидравлических характеристик таких каналов.

Научная новизна.

1. Выявлено влияние интенсивности закрутки потока шнеком и системы сферических выемок на среднюю теплоотдачу на выпуклой поверхности кольцевого канала. Установлена область режимов, в которой наблюдается независимость воздействий закрутки потока и системы сферических выемок на теплоотдачу.

2. Получены и обобщены опытные данные по гидравлическому сопротивлению кольцевого канала с выемками на выпуклой поверхности в широком диапазоне изменения угла закрутки потока. Выявлен механизм происходящих в данных условиях теплогидравлических процессов.

3. Проанализирована теплогидравлическая эффективность интенсификации теплообмена на выпуклой поверхности кольцевого канала со сферическими выемками, и выявлены рациональные варианты закрутки потока шнеком.

4. Сформулированы рекомендации по выбору энергетически целесообразных условий интенсификации теплообмена сферическими выемками на выпуклой поверхности кольцевого канала с непрерывной закруткой потока, а также по расчету теплогидравлических параметров канала в этих условиях.

Автор защищает:

1. Обобщенные результаты экспериментального исследования средней теплоотдачи на выпуклой поверхности кольцевого канала со сферическими выемками и непрерывной закруткой потока шнеком.

2. Обобщенные опытные данные по гидравлическому сопротивлению кольцевого канала со сферическими выемками на выпуклой его поверхности и непрерывной закруткой потока.

3. Механизм исследованных теплогидравлических процессов. Рекомендации по выбору энергетически целесообразных условий интенсификации теплообмена в рассматриваемых условиях и их расчету.

Практическая значимость. Выработанные на основе экспериментального исследования и обобщения опытных данных рекомендации по инженерному расчету теплообменных кольцевых каналов с непрерывной закруткой потока и сферическими выемками на выпуклой поверхности получены в реальном диапазоне изменения геометрических и режимных параметров. Они могут быть использованы при расчете и проектировании теплообменников различного назначения, ТВЭЛов ядерных реакторов, а также систем охлаждения двигателей и энергоустановок. Полученные экспериментальные данные могут быть использованы также для верификации теоретических моделей.

Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечивается использованием апробированных методов и аттестованных средств измерения параметров, расчетом погрешности измерений, удовлетворительным согласованием данных, полученных в стандартных и усложненных условиях с общеизвестными данными других авторов.

Личный вклад автора. Соискатель участвовал в создании опытной установки, выполнил основную программу экспериментов, обработку, анализ и обобщение полученных опытных данных.

Апробация работы. Основные результаты диссертации доложены и получили одобрение на XVII Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева “Проблемы газодинамики и тепломассообмена в аэрокосмических технологиях” 25-29 мая 2009 г., г. Жуковский; на научном семинаре Исследовательского Центра Проблем энергетики Казанского научного центра РАН; на ХV, XVI, XVII Всероссийских молодежных научных конференциях “Туполевские чтения”, г.Казань, 2007, 2008, 2009 гг.; на XIX, XX Всероссийских межвузовских научно-технических конференциях КВАКУ “Внутрикамерные процессы в энергетических установках, акустика, диагностика, экология”, г.Казань, 2008, 2009 г.г.; на научных семинарах кафедры “Газотурбинные, паротурбинные установки и двигатели”, г.Казань, 2007 - 2010 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ. Одна работа опубликована в рекомендуемом ВАК журнале.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов и списка использованной литературы. Работа изложена на 114 страницах машинописного текста, содержит 57 рисунков, 3 таблиц. Список использованной литературы включает 96 наименований.

Содержание работы

Во введении диссертации обоснована актуальность темы исследования, отмечены ее научная новизна и практическая значимость.

В первой главе выполнен обзор научно-технической литературы по результатам исследований закрученных потоков (монографии В.К. Щукина, Ю. Вилемаса и П. Пошкаса, А.А. Халатова, Б.П.Устименко и другие публикации). Проанализированы также результаты исследований пристенной интенсификации теплообмена (монографии В.М. Бузника; В.К. Мигая; Э.К. Калинина, Г.А. Дрейцера и С.А. Ярхо; Ю.Ф. Гортышова и В.В. Олимпиева; С.А. Исаева; А.В. Щукина и А.П. Козлова; И.А. Попова; опубликованные результаты исследований других авторов).

Из известных публикаций следует, что в литературе имеется значительное количество результатов исследований по сферическим выемкам. Однако нет данных по теплогидравлическим параметрам кольцевых каналов со сферическими выемками в условиях непрерывной закрутки потока.

Из анализа опубликованных работ установлено, что инженерные методы расчета теплогидравлических параметров гладких кольцевых каналов достаточно надежны. В литературе имеются результаты исследований теплоотдачи и гидравлического сопротивления кольцевых каналов с непрерывной закруткой потока шнековыми вставками на различных режимах течения: ламинарном, ламинарном с макровихрями, турбулентном и турбулентном с макровихрями. Что касается нанесения на выпуклую поверхность элементов регулярной макрошероховатости, то имеются лишь единичные результаты исследования теплоотдачи в кольцевом канале с начальной закруткой потока и с продольными низкими ребрами на его выпуклой поверхности.

Выполненный в первой главе диссертации критический анализ опубликованных работ показал, что характер воздействия различных элементов макрошероховатости поверхности на сопротивление и конвективный теплообмен неодинаков. Поэтому для решения поставленных задач использование результатов исследования элементов макрошероховатости других типов может привести к ошибочным результатам. Необходимо провести опытное исследование теплоотдачи и гидросопротивления кольцевых каналов со сферическими выемками на выпуклой его поверхности.

В конце первой главы сформулированы задачи исследования.

Во второй главе приводится описание экспериментального стенда, объектов исследования, методики проведения экспериментов и обработки опытных данных.

Экспериментальная установка для исследования интенсификации теплообмена сферическими выемками на выпуклой поверхности кольцевого канала с непрерывной закруткой потока шнековыми вставками представляет собой аэродинамическую трубу, работающую в режиме разрежения (рис.1,а).

Рабочим участком является кольцевой канал. Внутренняя его поверхность образована алюминиевым цилиндром диаметром 159мм и длиной 1194мм, на который навивались шнековые вставки. Поверхность входного кока выполнена по лемнискате Бернулли, а со стороны корпуса опытного участка обеспечен вход типа “острая кромка”. Рабочий участок снаружи покрыт тепловой изоляцией.

На поверхности цилиндра выполнены сферические выемки со скругленными кромками диаметром в плане d_сф=17мм, глубиной h_сф=6мм (относительная глубина h_сф/d_сф=0,35) и радиусом скругления кромок 1мм. Всего выемок 1392шт. Они располагались по поверхности цилиндра равномерно в шахматном порядке с относительной плотностью f = рd_сф ²/[2v3(t₁t₂)] = 0,63, где t₁ и t₂ - продольный и поперечный шаги рядов выемок, соответственно.

Высота кольцевого канала Н = 28 мм. Она определялась диаметром шнековой вставки - завихрителя, обеспечивающего непрерывную закрутку потока в канале. Относительная высота канала H?d_сф = 1,65; соотношение высот канала и глубины сферической выемки H ? h_сф = =5,95. Отношение диаметров кольцевого канала d_вог/d_вып= 1,15. Угол закрутки потока ц определялся углом навивки шнековых вставок, который принимал следующие значения: ц = 0°, 10° 20°, 30°, 45° и 60°. При этом относительная кривизна шнекового канала d_экв/D изменялась от 0 до 0,184.

Поток воздуха в опытном участке создавался двумя центробежными воздуходувками, работающими на всасывание. Расход воздуха регулировался заслонкой и измерялся стандартной диафрагмой.



Рис. 1. Схема экспериментальной установки (а) и элемента опытного участка (б)

Эксперименты проводились в диапазоне изменения среднерасходной скорости в винтовом канале от 5 до 23 м/с. Число Рейнольдса Re_d изменялось от 3,2•10⁴ до 1,5•10⁵. В качестве характерного размера в числах Re_d и Nu_,сф использован эквивалентный диаметр канала. В случае закрученного потока значение d_экв определялось по формуле для кольцевого канала со шнеком. При отсутствии закрутки d_экв= 2Н.

В процессе эксперимента производилось измерение необходимых параметров, позволяющих рассчитать профиль скорости по высоте канала, расход воздуха, коэффициент гидравлического сопротивления опытного участка и среднюю теплоотдачу на выпуклой поверхности канала с выемками. Статическое и полное давления измерялись с помощью преобразователей давления типа “ПРОМА - ИДМ ”.

Тепловой поток, отбираемый от выпуклой поверхности кольцевого канала протекающим по нему воздухом, создавался электронагревателем - навитой на асбоцементный сердечник нихромовой проволокой. Тепловой поток рассчитывался по электрической мощности нагревателя с учетом потерь теплоты на торцах цилиндра и через корпус опытного участка.

Средняя теплоотдача на выпуклой поверхности кольцевого канала рассчитывалась по распределению температуры поверхности цилиндра и температуры воздуха по длине опытного участка. Для этого на поверхности цилиндра, образующего внутреннюю поверхность канала, были установлены 14 хромель-алюмелевых термопар с разнесенным спаем площадью 1мм². Они располагались как внутри выемок, так и между ними, на исходно гладкой поверхности цилиндра. Измерение ЭДС термопар производилось с помощью АЦП Е-270USB фирмы «L-Card». Обработка данных выполнялась с помощью программы «Power Graph».

Гидравлическое сопротивление и теплоотдача были исследованы в диапазоне изменения числа Рейнольдса Re_d от 3,2•10⁴…1,5•10⁵.

Опыты проводились по классической схеме однофакторного эксперимента, а результаты обработки опытных данных представлены с учетом теории подобия процессов, происходящих в рассматриваемых условиях. гидравлический сопротивление канал теплообмен

Из анализа условий подобия закрученных потоков следует, что в рассматриваемом случае в качестве параметра, учитывающего влияние центробежных массовых сил в винтообразном шнековом канале целесообразно выбрать симплекс d_экв/D, где D - диаметр кривизны средней линии шнекового канала, а d_экв - его эквивалентный диаметр. В ряде случаев используют аналогичный этому симплексу параметр tgц. Наряду с симплексом d_экв/D, при обобщении опытных данных используется число Re_d. Форма поперечного сечения винтового канала учитывается в соотношении для d_экв.

С целью обеспечения доступности разработанных рекомендаций для инженерных расчетов полученные данные представлены в виде произведения базового значения числа Нуссельта и двух относительных функций теплообмена:

Nu_ц.сф = Nu₀ Ш^б_сф,ц=0Ш^б_ц.сф (1)

где влияние на теплоотдачу сферических выемок без закрутки потока (ц=0) учтено относительной функцией Ш^б_сф.=0, а относительная функция теплообмена Ш^б_ц,сф учитывает не только влияние на теплоотдачу закрутки потока в гладком кольцевом канале, но и дополнительное изменение теплоотдачи около поверхности со сферическими выемками под влиянием этой закрутки.

Результаты исследований по гидравлическому сопротивлению представлены в аналогичном виде:

о_ц.сф = о₀ Ш^о_сф.ц=0 ш^о_ц.сф. (2)

Относительная погрешность определения числа Re_d находилась в интервале ±3,2%, коэффициента сопротивления - в интервале ± 9,2%, а числа Nu_.сф - в интервале ±16,5% при доверительной вероятности Р = 0,95.

В третьей главе диссертации рассмотрены результаты тестовых теплообменных опытов, а также результаты программных экспериментов по исследованию интенсификации теплоотдачи сферическими выемками на выпуклой поверхности кольцевого канала с непрерывной закруткой потока воздуха шнековыми вставками. Приводятся анализ и обобщение опытных данных.

Тестирование установки по теплоотдаче проводилось по результатам опытов в незакрученном потоке на поверхности со сферическими выемками. Результаты экспериментов сопоставлялись с данными В.П. Данильченко и др., полученными в кольцевом канале со сферическими выемками на выпуклой его поверхности при осевом течении рабочего тела. Корректировку этих данных по теплоотдаче путем приведения относительной глубины выемок h_сф/d_сф, плотности их расположения f и относительной высоты канала H/d_сф к условиям нашего эксперимента выполняли по рекомендациям Г.П. Нагоги.

Было получено, что результаты наших экспериментов по средней теплоотдаче на выпуклой поверхности кольцевого канала без закрутки потока вполне удовлетворительно совпадают с цитируемыми выше данными, что свидетельствует о достоверности получаемых на данной установке результатов.

Результаты программных экспериментов, представленные на рис.2, показывают, что изменение угла закрутки потока шнеком приводит к расслоению опытных зависимостей Nu_.сф=f(Re_d), характеризующих среднюю теплоотдачу на выпуклой поверхности кольцевого канала с выемками относительно результатов, полученных без закрутки потока.

Анализ влияния угла закрутки потока ц (относительной кривизны шнекового канала d_экв/D) на теплоотдачу показал (рис.3), что при ц = 30⁰ (d_экв/D = 0,0522) происходит изменение характера зависимости

(Nu_ц.сф/Nu_сф.ц=0)_Re = f(d_экв/D)

В диапазоне ц = 0…30⁰ (d_экв/D = 0…0,0522) увеличение угла закрутки потока приводит к уменьшению средней теплоотдачи около выпуклой поверхности, характеризуемой относительным числом Нуссельта (Nu_ц.сф/Nu_сф.ц=0)_Re. Это снижение связано с консервативным воздействием центробежных массовых сил, когда часть потока, обладающая более высокой кинетической энергией, смещается под их воздействием ближе к вогнутой поверхности (рис. 4). Такую же тенденцию наблюдали Ю. Вилемас и П. Пошкас: с увеличением угла закрутки потока на турбулентном режиме течения эффект консервативного воздействия массовых сил на гладкой выпуклой поверхности кольцевого канала со шнеком возрастал.

Отметим, что консервативный эффект воздействия центробежных массовых сил на процесс теплоотдачи около выпуклой поверхности сказывается в рассматриваемом случае и в оттеснении масс воздуха с более низкой температурой на периферию. Этот эффект, называемый температурной стратификацией среды, снижает интенсивность отвода теплоты от выпуклой поверхности кольцевого канала в поток воздуха.



Установленная тенденция снижения теплоотдачи на выпуклой поверхности кольцевого канала с выемками подтверждается результатами исследований О.Ю. Буланова, где этот факт зафиксирован в одиночной полусферической выемке при увеличении относительной кривизны выпуклой поверхности. Эти эксперименты показали, что в полусферической выемке на выпуклой поверхности степень турбулентности потока и теплоотдача ниже, чем в выемке, установленной на плоской поверхности.

Интересно отметить, что в диапазоне изменения ц от 0 до 30⁰ при исключении из полученных нами данных влияния на теплоотдачу сферических выемок при ц = 0⁰ наши данные по теплоотдаче практически совпадают с данными Ю. Вилемаса, П. Пошкаса. Таким образом, можно в первом приближении полагать, что в этом диапазоне изменения угла ц (относительной кривизны шнекового канала) непрерывная закрутка потока шнеком и сферические выемки воздействуют на теплоотдачу около выпуклой поверхности независимо друг от друга.

При более интенсивной закрутке потока, когда значение угла ц превышает 30⁰, а значение относительной кривизны шнекового канала d_экв/D > 0,0522, характер их влияния на среднюю теплоотдачу около выпуклой поверхности канала со сферическими выемками изменяется: с их увеличением теплоотдача возрастает. Так, при увеличении угла ц от 30⁰ до 60⁰ (относительной кривизны от 0,0522 до 0,184) значение относительного числа Нуссельта (Nu_ц.сф / Nu_сф,ц=0)_Re увеличивается в среднем от 0,75 до 1,0.

Выполненные нами визуализационные исследования показали при ц > 30⁰ наличие в кольцевом канале макровихревых течений. Эти продольные макровихри с чередующимся направлением их вращения оставили четкие следы на вогнутой поверхности кольцевого канала при нанесении на нее сажемасляной пленки, что подробно продемонстрировано и прокомментировано в диссертации.

Сравнительный анализ профилей температуры в шнековом канале подтвердил наличие продольных макровихрей в потоке. Это видно на рис.5, где в периферийной части канала при =60° имеется характерный участок, свойственный макровихревому течению. Диаметр макровихрей составлял примерно 30…35% от высоты кольцевого канала H. Как известно, их возникновение обусловлено сильной кривизной шнекового канала при больших углах закрутки потока.

Сопоставление профилей скорости в шнековом канале при ц = 0⁰ показало, что граница области возмущения пристенного потока системой сферических выемок исследованной геометрии определяется значениями y/H ? 0,55…0,60.

Таким образом, можно полагать, что на турбулентном режиме с макровихрями в рассматриваемых условиях механизм переноса более холодного воздуха из периферийной области к выпуклой теплоотдающей поверхности базируется на функционировании двух систем крупномасштабных вихревых структур - системы макровихрей около вогнутой поверхности, вызванных сильной кривизной шнекового канала, и макровихревых структур, генерируемых системой сферических выемок.

Отсюда следует, что изменение характера влияния угла закрутки потока на интенсификацию теплообмена около выпуклой поверхности при переходе от диапазона изменения 0⁰ ? ц ? 30⁰ к 30⁰ ? ц ? 60⁰, что соответствует изменению относительной кривизны шнекового канала от 0 до 0,0522 и от 0,0522 до 0,184, связано с возникновением макровихревого движения в турбулентном потоке.

Относительная функция теплообмена Ш^б_ц,сф в формуле (1) для исследованных условий записывается так:

при 0⁰ ? ц ? 30⁰ (d_экв/D = 0…0,0522)

Ш^б_ц.сф =1 - 4,78(d_экв/D) (3)

при 30⁰? ц ? 60⁰ (d_экв/D = 0,0522…0,184)

Ш^б_ц.сф = 1-7,910^-4(d_экв/D)^-1,96 (4)

для исследованных условий относительная функция Ш^б_сф,ц=0 равна 2,2.

Отметим, что по данным А.А. Халатова, основанным на анализе устойчивости течений методом Рэлея, при ц ? 45⁰ в шнековых каналах следует ожидать консервативного воздействия массовых сил, подавляющих турбулентные пульсации потока образующимися макровихревыми течениями, что подтверждает наши результаты исследования.

Таким образом, полученные данные показывают, что в диапазоне углов закрутки 30⁰ ? ц ? 60⁰ увеличение теплоотдачи на выпуклой поверхности с выемками возможно за счет переноса продольными макровихрями более холодных масс воздуха из периферийной области кольцевого канала к теплоотдающей поверхности с выемками. При этом макровихревые течения, генерируемые сферическими выемками, могут способствовать интенсификации этого переноса.

Как видно на рис. 3, при ц = 60⁰ (d_экв/D = 0,184) теплоотдача от выпуклой поверхности кольцевого канала с выемками практически соответствует ее значению без закрутки потока (при ц=0⁰), и превышает теплоотдачу при всех остальных исследованных углах закрутки потока.

Обобщение опытных данных по средней теплоотдаче для различных углов закрутки потока в виде графика

Nu_ц.сф ? Ш^б_сф,ц=0Ш^б_ц.сф= f(Re_d)

показано на рис.6. Здесь значение Ш^б_ц.сф рассчитывается по уравнениям (3), (4), а Ш^б_сф,ц=0 = 2,2.

Таким образом, исследование средней теплоотдачи показывает, что нанесение сферических выемок на выпуклую поверхность кольцевого канала с непрерывной закруткой потока является целесообразным с точки зрения интенсификации теплоотдачи. Однако при внедрении методов интенсификации теплообмена важным является вопрос сопутствующего повышения коэффициента гидравлического сопротивления.

В четвертой главе диссертации представлены тестовые опыты и результаты исследования коэффициента гидравлического сопротивления кольцевого канала при интенсификации теплоотдачи сферическими выемками на выпуклой его поверхности с непрерывной закруткой потока. Выполнен анализ и обобщение опытных данных. Рассмотрен механизм исследованного процесса, даны рекомендации по расчету теплогидравлических параметров кольцевых каналов с непрерывной закруткой потока и сферическими выемками на теплоотдающей выпуклой его поверхности. Проанализирована энергетическая эффективность исследованного метода интенсификации теплообмена.

Гидравлическое сопротивление гладкого кольцевого канала данной установки без закрутки потока тестировалось по каноническому уравнением Блазиуса.

Результаты программных экспериментов по исследованию гидравлического сопротивления кольцевого канала с непрерывной закруткой потока и сферическими выемками на выпуклой поверхности представлены на рис.7.



Из анализа рис.8 следует, что при 0⁰ ? ц ? 30⁰ (d_экв/D = 0…0,0522) гидравлическое сопротивление в кольцевом канале со сферическими выемками, снижается.

Как показывает рис. 4, обладающие повышенной кинетической энергией массы воздуха перемещаются под воздействием центробежных сил ближе к вогнутой поверхности кольцевого канала. А поскольку граница области возмущения потока сферическими выемками исследованной геометрии определяется значениями y/H ? 0,55…0,60, то этот поток воздуха с повышенной кинетической энергией находятся вне области потерь давления, вызванных макровихревыми течениями, генерируемыми системой сферических выемок.

Поэтому при увеличении угла закрутки потока ц от 0⁰ до 30⁰ (при этом значение относительной кривизны шнекового канала d_экв/D изменяется от 0 до 0,0522) наблюдается некоторое снижение коэффициента гидравлического сопротивления канала с выемками по сравнению с незакрученным потоком, как это видно на рис. 8.

В области более интенсивной закрутки потока, когда 30⁰ ? ц ? ?60⁰, а 0,0522 ? d_экв/D ? 0,184, уровень значений (о_ц,сф/о_сф,ц=0)_Re примерно на 25% ниже, чем в потоке без закрутки. Можно полагать, что это связано с частичным подавлением турбулентных пульсаций скорости продольными периферийными макровихрями, поскольку известно, что потери кинетической энергии, связанные с образованием макровихрей меньше, чем затраты энергии на генерацию турбулентности.

Относительная функция сопротивления Ш^о_ц,сф в формуле (2) для исследованных условий имеет вид:

при 0⁰ ? ц ? 30⁰ (d_экв/D = 0…0,0522)

Ш^о_ц.сф = 1 - 6,7(d_экв/D) (5)

при 30⁰? ц ? 60⁰ (d_экв/D = 0,0522…0,184)

Ш^о _ц.сф = 0,65 (6)

Отметим, что, по крайней мере, на режиме макровихревого турбулентного течения, когда существуют продольные макровихри, вызванные сильной кривизной канала, а также крупномасштабные вихревые структуры, образующиеся над системой выемок, возможны нелинейные корреляции между этими воздействующими факторами. В связи с этим влияние сферических выемок на сопротивление и теплоотдачу в этих условиях может проявляться не так, как в незакрученном потоке. Однако изучение влияния степени закрутки потока и параметров поверхности с выемками на эти нелинейные корреляции - задача отдельного исследования.

Обобщение опытных данных по коэффициенту гидравлического сопротивления для различных углов закрутки потока в виде графика

о_ц,сф ? Ш^о_сф,ц=0Ш^о_ц.сф = f(Re_d)

показано на рис.9. Здесь значение Ш^о_ц.сф рассчитывается по уравнениям (5), (6); Ш^о_сф,=0= 3,2.

Таким образом, механизм теплогидравлических процессов в рассматриваемых условиях следующий. На турбулентном режиме снижение теплоотдачи на выпуклой поверхности кольцевого канала с выемками и гидросопротивления в нем при увеличении степени закрутки потока происходит за счет перераспределения потоков с повышенной кинетической энергией из области выемок в периферийную область. Кроме этого, теплоотдача снижается и из-за температурной стратификации среды.

На турбулентном режиме с макровихрями увеличение теплоотдачи на выпуклой поверхности кольцевого канала с выемками связано с переносом макровихрями «холодных» масс воздуха с периферии к выпуклой поверхности. Пониженный уровень сопротивления, сохраняющийся при =30…60°, связан с подавлением макровихрями турбулентных пульсаций скорости.

Теплогидравлическая эффективность интенсификации теплоотдачи от выпуклой поверхности со сферическими выемками в закрученный поток иллюстрируется графиком безразмерного коэффициента аналогии Рейнольдса

(Nu_ц.сф/Nu₀)_Re = f(о_ц.сф/о₀)_Re

изображенным на рис.10, где Nu₀ и о₀ - число Нуссельта и коэффициент гидравлического сопротивления в гладком канале в стандартных условиях на турбулентном режиме.

Из графика видно, что наименьшая теплогидравлическая эффективность интенсификации теплообмена выемками на выпуклой поверхности кольцевого канала наблюдается в незакрученном и малозакрученном потоках, т.е. - на турбулентном режиме течения.

При больших углах закрутки, соответствующих турбулентному режиму течения с макровихрями она повышается за счет более низкого гидравлического сопротивления кольцевого канала. Это относится к углам закрутки потока 45⁰ и 60⁰. Из этих двух случаев более высокий уровень теплоотдачи относится к обтеканию сферических выемок при ц = 60⁰, в условиях максимальной интенсивности продольных макровихрей. Численно он соответствует уровню теплоотдачи при обтекании сферических выемок без закрутки потока.

Основные результаты и выводы

1. Получено, что нанесение сферических выемок c относительной глубиной 0,35 и относительной плотностью 0,63 на выпуклую теплоотдающую поверхность кольцевого канала с непрерывной закруткой потока шнеком обеспечивает в исследованных условиях примерно двукратное увеличение теплоотдачи на этой поверхности, по сравнению с идентичными условиями без выемок.

2. Установлено, что при углах закрутки потока ц = 0…30° в исследованных условиях на выпуклой теплоотдающей поверхности кольцевого канала реализуется турбулентный режим течения, а при ц = 30°…60° - турбулентный режим с макровихрями. Последнее подтверждено визуализацией течений и измерением профиля температуры.

3. Получено, что на турбулентном режиме (ц = 0…30°) за счет консервативного воздействия массовых сил теплоотдача на выпуклой поверхности канала с выемками и его сопротивление снижаются в среднем на 20…30%, по сравнению с аналогичными условиями без закрутки потока.

4. Выявлено, что при увеличении угла закрутки потока на турбулентном режиме с макровихрями теплоотдача на выпуклой теплоотдающей поверхности с выемками возрастает за счет переноса макровихрями относительно холодных масс воздуха от вогнутой к выпуклой поверхности.

5. Установлено, что пониженный уровень сопротивления на турбулентном режиме с макровихрями связан с подавлением макровихрями турбулентных пульсаций скорости.

6. Показано, что наиболее высокая энергетическая эффективность интенсификации теплообмена в исследованных условиях обеспечивается на турбулентном режиме течения с макровихрями при ц = 60° .

7. Выполненные на основе разработанных рекомендаций сравнительные расчеты ТВЭЛов ядерных реакторов показали, что нанесение сферических выемок на оболочку ТВЭЛа в условиях непрерывной закрутки потока проволочной навивкой повышает его энергоэффективность.

Основные обозначения

- угол закрутки потока в кольцевом канале, град.

d_экв - эквивалентный диаметр, м

d_сф - диаметр сферической выемки в плане, м

h_сф - глубина сферической выемки, м

f - относительная плотность расположения выемок

H - высота канала, м

D - кривизна канала, м

d_вып, d_вогн - диаметры выпуклой и вогнутой поверхностей кольцевого канала, соответственно, м

L - длина канала, м

Nu_ц.сф, Re_d, о_.ц.сф - числа Нуссельта, Рейнольдса и коэффициент гидравлического сопротивления в закрученном потоке и сферическими выемками на выпуклой поверхности, определенные по эквивалентному диаметру канала

Nu₀, о₀ - число Нуссельта и коэффициент гидравлического сопротивления в стандартных условиях

Ш^о_ц.сф, Ш^б_ц.сф - относительные функции сопротивления и теплообмена, учитывающие влияние непрерывной закрутки потока и нелинейные корреляции совместного воздействия закрутки потока и сферических выемок.

Основные положения диссертации опубликованы в работах

Научные статьи, опубликованные в рецензируемых научных изданиях, определенных ВАК:

1. Максимов Н.Ф. Интенсификация теплообмена на выпуклой поверности кольцевого канала с непрерывной закруткой потока / Щукин А.В., Ильинков А.В., Максимов Н.Ф.// “ИВУЗ Авиационная техника”, №1, 2010. С. 64-67.

Работы, опубликованные в других изданиях:

2. Максимов Н.Ф. К исследованию интенсификации теплообмена сферическими выемками в коаксиальном канале с закруткой потока / Максимов Н.Ф., Кауров А.В. // Тезисы докладов XV-й Молодежной научной конференции «Туполевские чтения», г.Казань, 2007 г., С.340-341.

3. Максимов Н.Ф. Пристенная интенсификация теплообмена на внутренней стенке коаксиального канала с непрерывной закруткой потока /Максимов Н.Ф., Бассариев Р.Ф. // Тезисы докладов XVI-й Молодежной научной конференции «Туполевские чтения», г.Казань, 2008 г., С.288-289.

4. Максимов Н.Ф. Теплоотдача на внутренней макрошероховатой стенке коаксиального канала с непрерывной закруткой потока / Максимов Н.Ф. Ильинков А.В., Щукин А.В., Бассариев Р.Ф. //Сборник материалов ХХ Всероссийской межвузовской н/т конференции “Электромеханические и внутренние процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий”. Часть 2, Казань, КВАКУ, 2008 г. - С. 14-15.

5. Максимов Н.Ф. Интенсификация теплоотдачи лунками на выпуклой поверхности кольцевого канала с непрерывной закруткой / Ильинков А.В., Максимов Н.Ф.// Труды XVII Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева “Проблемы газодинамики и тепломассообмена в аэрокосмических технологиях” 25-29 мая 2009 г., г. Жуковский. В 2 томах. Т.1.- М.: МЭИ, 2009 г. - С.343-345.

6. Максимов Н.Ф. Теплоотдача на макрошероховатой выпуклой поверхности кольцевого канала в закрученном потоке/ Ильинков А.В., Максимов Н.Ф., Щукин А.В. //Сборник материалов ХХI Всероссийской межвузовской н/т конференции “Электромеханические и внутренние процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий”. Часть 2., Казань, КВАКУ 2009 г. - С. 23-24.

7. Максимов Н.Ф. Потери давления в закрученном потоке при нанесении выемок на выпуклую поверхность кольцевого канала / Максимов Н.Ф., Шагеев А.Г. // Тезисы докладов XVII-й Молодежной научной конференции “Туполевские чтения”, г.Казань, 2009 г., C.310.

8. Максимов Н.Ф. Теплоотдача на дискретно-шероховатой выпуклой поверхности в кольцевом канале со шнеком /Максимов Н.Ф., Кауров А.В., Рудаков Д.А. // Тезисы докладов XVII-й Молодежной научной конференции “Туполевские чтения”, г.Казань, 2009 г., C.318.

Размещено на Allbest.ru

...