Гидродинамика и теплообмен в каналах с поверхностными интенсификаторами при вынужденном движении теплоносителей

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

ГИДРОДИНАМИКА И ТЕПЛООБМЕН В КАНАЛАХ С ПОВЕРХНОСТНЫМИ ИНТЕНСИФИКАТОРАМИ ПРИ ВЫНУЖДЕННОМ ДВИЖЕНИИ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕЙ

01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника, 01.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы

РЫЖКОВ ДЕНИС ВЛАДИМИРОВИЧ

Казань - 2011

Работа выполнена на кафедре "Теоретические основы теплотехники" в "Казанском национальном исследовательском техническом университете им. А.Н. Туполева_КАИ".

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Попов Игорь Александрович.

Научный консультант:

кандидат технических наук, доцент Щелчков Алексей Валентинович.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Давлетшин Ирек Абдуллович,

кандидат технических наук, доцент Егоров Кирилл Сергеевич.

Ведущая организация: Объединенный институт высоких температур Российской академии наук.

Защита диссертации состоится "___"_______________2011 г. в _____ часов на заседании диссертационного совета Д.212.079.02 при Казанском национальном исследовательском техническом университете им. А.Н. Туполева_КАИ (Казанском государственном техническом университете им. А.Н. Туполева) по адресу: 420111, г. Казань, ул. К. Маркса, 10.

С диссертационной работой можно ознакомиться в научной библиотеке Казанского национального исследовательского технического университета им. А.Н. Туполева_КАИ. Электронный вариант автореферата размещен на сайтах www.referat_vak@mon.gov.ru, www.kai.ru.

Автореферат разослан "___"______________ 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н., доцент А.Г. Каримова.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время в условиях мирового энергетического кризиса остро стоит проблема повышения эффективности тепловых машин и рационального использования топливно-энергетических ресурсов, связанная со значительно возросшей стоимостью энергоносителей и всех видов природных ресурсов. Энергосбережение, экономия топлива и других природных ресурсов, совершенствование энергетических технологий являются приоритетными задачами развития экономики страны.

На сегодняшний день одним из самых дорогих видов энергии является тепловая. Её высокая стоимость определяется как самим ее производством (низкие КПД теплогенерирующих установок, рост цен на топливо, значительные издержки при производстве), так и эффективностью её передачи и использования. Реализованные схемы теплообмена в теплообменных устройствах традиционных конструкций характеризуются, как правило, низкими значениями энергетической эффективности, что отрицательно сказывается на технических характеристиках установки в целом, вплоть до полной потери выигрыша в КПД от установки теплообменника.

Из анализа обзора литературы установлено, что при создании высокоэффективных теплообменных устройств, реализующих вынужденное течение теплоносителей, наиболее перспективным способом интенсификации теплообмена является поверхностная интенсификация, в том числе с помощью систем сферических, цилиндрических и траншейных выемок.

Цель работы: разработка рекомендаций по определению режимов обтекания и расчету гидросопротивления и теплоотдачи, необходимых для создания теплогидравлически эффективного теплообменного оборудования на основе выявленных механизмов интенсификации теплоотдачи в каналах и на поверхностях с выемками различной формы.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Установить границы режимов течения в каналах с интенсификаторами теплообмена в виде сферических, цилиндрических и траншейных выемок.

2. Выявить и математически описать влияние основных режимных параметров и геометрии интенсификаторов на теплоотдачу и гидросопротивление в каналах с цилиндрическими выемками.

3. На основе экспериментальных данных дать основы физических моделей течения и теплообмена в каналах с цилиндрическими и траншейными выемками.

4. Провести сравнительный анализ интенсификаторов теплоотдачи по их теплогидравлической эффективности; выявить наиболее перспективные интенсификаторы и дать рекомендации по их оптимальным параметрам и рациональным режимам эксплуатации.

Научная новизна и основные положения, выносимые на защиту:

1. Впервые получена карта режимов течения в каналах с цилиндрическими и траншейными выемками. Для сферических выемок ранее полученная карта режимов для воздуха дополнена данными для воды.

2. Установлена общность процессов переноса при обтекании потоком теплоносителя систем сферических, цилиндрических и траншейных выемок как элементов дискретной шероховатости. Физическая модель течения и теплообмена в каналах со сферическими выемками распространена на системы цилиндрических и траншейных выемок.

3. Установлено и математически описано влияние режимных и геометрических параметров на гидросопротивление и теплоотдачу в каналах с цилиндрическими выемками при турбулентном режиме течения.

4. Разработаны рекомендации для инженерного расчета теплообменных аппаратов с интенсификаторами в виде цилиндрических и траншейных выемок.

Достоверность и обоснованность результатов подтверждаются соответствующей точностью и тарировкой всех измерительных систем, выполнением ряда тестовых опытов и хорошим согласованием их результатов с работами других исследователей, использованием современных компьютерных аппаратных и программных средств для обработки данных, удовлетворительным согласованием расчетных и экспериментальных данных, соответствием полученных результатов физическим представлениям о процессах переноса в данном классе технических способов повышения тепловой эффективности теплообменного оборудования.

Практическая ценность. Полученные в работе результаты позволяют: на основе визуализации обтекания выемок различной формы и разработанных карт режимов оптимизировать аэродинамические характеристики тел обтекания, в том числе транспортных средств, а также определять режимы обтекания, на основе которых производится выбор расчетных формул для гидросопротивления и теплоотдачи; разрабатывать высокоэффективное теплообменное оборудование и системы охлаждения для энергетики, машиностроения, химической и пищевой промышленности и т.д. на основе полученных в работе зависимостей для расчета гидросопротивления и теплоотдачи в каналах и на поверхностях с выемками; повысить тепловую эффективность оборудования в 1,1-1,8 раза при соизмеримом росте гидросопротивления за счет применения исследованных в работе интенсификаторов.

Реализация результатов работы. Результаты работы использованы в методиках расчета систем охлаждения в ОАО "Казанское ОКБ "Союз" (Казань), при исследовании аэродинамики транспортных средств в ООО "Энергия и эффективность" (Казань), при создании нового теплообменного оборудования в ООО "НПП "Тринити" (Казань). Основные результаты работы вошли в научно-технические отчеты по грантам РФФИ (№№ 09-08-00224-а, 10-08-00110-а, 11-08-00509-а), программы Министерства образования и науки РФ (госконтракты № 2.1.2.5495, №2.1.2.12279, 14.740.11.0524) и др. и могут быть использованы в ОАО "КЭР-Холдинг", ОАО "КАМАЗ" и учебном процессе.

Апробация работы. Полученные основные результаты диссертации докладывались и получили одобрение на Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева "Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках" (Жуковский, 2009, Звенигород, 2011), V Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 2010), Международной молодежной конференции "Туполевские чтения" (Казань, 2009-2011); Международной школе-семинаре "Актуальные проблемы теплофизики и физической гидрогазодинамики" (Алушта, 2010); Межвузовском научно-практическом семинаре "Внутрикамерные процессы в энергетических установках, акустика, диагностика, экология" (Казань, 2011), Всероссийской школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН В.Е. Алемасова "Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении" (Казань, 2009), IV и V Российской конференции "Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках" (Москва, 2009, 2011), VI Международной научно-технической конференции "Авиация, наземный транспорт и энергетика" (Казань, 2011), на научно-технических семинарах кафедры ТОТ КНИТУ-КАИ (2007-2011).

Публикации. По материалам диссертации опубликована 21 печатная работа, включая 7 статей в центральных российских изданиях (из списка ВАК РФ), 13 тезисов и материалов докладов и 1 статья в сборнике.

Личный вклад автора заключается в постановке общей цели и конкретных задач исследования, выполнении основной части экспериментальных исследований, анализе и обобщении их результатов, разработке рекомендаций по повышению теплогидравлической эффективности теплообменного оборудования.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованных источников, насчитывающего 109 наименований. Объем диссертации составляет 195 страниц машинописного текста, включая 129 рисунков, 6 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении в краткой форме обоснована актуальность выбранной темы, сформулированы цель и основные задачи исследования, отмечены научная новизна, практическая значимость диссертационной работы, перечень решенных в диссертации и выносимых на защиту задач и положений. интенсификация теплоотдача гидросопротивление

В первой главе приведен краткий анализ путей решения проблем по улучшению характеристик теплообменных аппаратов за счет интенсификации теплообмена. Среди перспективных выделены интенсификаторы теплообмена в виде дискретной шероховатости (системы выемок и выступов различной формы), проведен сравнительной анализ их теплогидравлической эффективности. Показано, что одним из типов интенсификаторов, обладающих высокой теплогидравлической эффективностью, являются поверхностные интенсификаторы, в том числе дискретная шероховатость в виде периодических поперечных выступов, систем сферических выступов и т.п.

В главе приведен обзор исследований картины течения, гидросопротивления и теплоотдачи в каналах с одиночными выемками сферической формы и их системами Р. Снидекера, С. Дональдсона, Г.И. Кикнадзе, А.В. Щукина, В.Н. Афанасьева, Я.П. Чудновского, А.А. Халатова, А.А. Александрова, В.С. Кесарева, А.П. Козлова, А.И. Леонтьева, А.В. Воскобойника, М.А. Готовского, М.Я. Беленького, Э.П. Волчкова, В.И. Терехова, С.А. Исаева, Ю.Ф. Гортышова, Ю.А. Кузма-Кичты, К.Л. Мунябина, Ф. Чоу, Э.Д. Сергиевского, Ф. Лиграни, С. Муна, Дж. Махмуда и многих др. Анализ литературы показал, что практически отсутствуют рекомендации по определению границ режимов обтекания интенсификаторов для дальнейшего обоснованного выбора расчетных зависимостей для определения коэффициентов гидросопротивления и теплоотдачи.

Результаты исследования теплоотдачи и гидродинамики при обтекании цилиндрических выемок изложены в работах К. Вигхарда, Е.М. Спэрроу, А.А. Халатова, С. Муна, М. Хивады, В.И. Терехова, Ф. Гренарда, Ф. Лиграни и др. Несмотря на накопленный объемный материал по исследованию осредненных и локальных характеристик гидродинамики и теплообмена в каналах с такими выемками, в литературе практически отсутствуют инженерные рекомендации по определению режимов обтекания и методики расчетного прогнозирования коэффициентов гидросопротивления и теплоотдачи в каналах с данными видами интенсификаторов теплообмена.

Трехмерные траншейные выемки различной формы рассматривались в экспериментальных и расчетных работах А.А. Халатова, С.А. Исаева, В.И. Терехова, Дж. Парка, Э.Д. Сергиевского, А.А. Титова, А.В. Воскобойника и др. В работах С.А. Исаева и др. показана перспективность использования сферических траншейных выемок. Однако исследования носят преимущественно численный характер, и в них практически отсутствуют данные о границах режимов обтекания интенсификаторов и обобщающие зависимости для расчета локальной и осредненной теплоотдачи. Поэтому для решения проблем интенсификации теплообмена необходимы комплексные расчетно-теоретические и экспериментальные исследования теплообмена и трения в каналах с интенсификаторами.

В соответствии с этим в первой главе сформулированы цель и основные задачи исследования.

Во второй главе описаны схемы экспериментальных установок и рабочих участков, предназначенных для исследования гидродинамики и теплообмена в каналах с поверхностными интенсификаторами, а также методики проведения экспериментальных исследований, обработки полученных данных и результаты оценки погрешности измерений.

Объектом исследований во всех опытах являлись одиночные элементы и рельефы поверхностных интенсификаторов в виде систем сферических, цилиндрических или траншейных выемок (рис. 1). В опытах исследовались сферические и цилиндрические выемки с диаметром оттиска d на поверхности от 10 до 30 мм, глубиной h от 1,6 до 8 мм, что обеспечивало относительную глубину выемок h/d=0,1-0,5. Траншейные выемки имели диаметр оттиска от 3 до 16 мм, глубину от 0,3 до 8 мм, что обеспечивало h/d=0,1-0,5, а также длину l/d=1 и угол натекания потока на выемку ц=0-90 є.

Рис. 1. Схемы элементов исследованных поверхностных интенсификаторов теплоотдачи в виде сферических, цилиндрических или траншейных выемок

В работе использовались три стенда: для исследования картин течения, исследования локальной теплоотдачи при обтекании пластин с интенсификаторами теплоотдачи и исследования гидросопротивления и теплоотдачи в каналах с интенсификаторами.

Визуализация режимов обтекания выемок производилась при использовании воды в качестве рабочей жидкости. Для проведения опытов по визуализации режимов обтекания выемок использовался экспериментальный стенд, состоящий из накопительного бака, циркуляционного насоса, системы рабочих участков с одиночными и системами выемок, системы измерений параметров потока и системы визуализации потоков. Рабочие участки в виде прямоугольных каналов с входными устройствами изготавливались из оргстекла для проведения визуализации. На нижней стенке участков наносились выемки различных размеров, конфигураций и количества, перед которыми для визуализации обтекания выемок с помощью дозирующего устройства производился подвод красящего вещества (тушь или чернила) через одно или систему отверстий. Визуализация проводилась с использованием цифровой видеокамеры Sony_DSR_TRVIIOE c 24_x кратным увеличением и цифровой фотокамеры Sony_DSС_F505V с режимом макросъемки c 10-кратным увеличением. Обработка результатов визуализации проводилась с использованием программных продуктов Virtual Dub 1.6.0 и Microsoft Windows Movie Maker 5.1 версии 2.1.4026.1.

Исследования локальной теплоотдачи при обтекании пластин с интенсификаторами теплоотдачи проводились на экспериментальном стенде в виде воздушной аэродинамической трубы с размещенной в ее тракте исследуемой пластиной. Аэродинамическая труба, работающая по принципу всасывания, представляет собой канал квадратного сечения со стенками из органического стекла для возможности визуализации. Равномерное распределение скорости во входном сечении аэродинамической трубы достигалось за счет входного устройства. В ходе экспериментов изменялись скорость воздушного потока, нагрев пластины, а также тип и параметры наносимых на пластину интенсификаторов. Исследуемая пластина устанавливалась на основу из теплоизоляционного материала и прижималась к электронагревателю в виде нихромовой пластины. Электронагреватель и исследуемые пластины располагались по обе стороны основы, что практически исключало тепловые потери. Скорость потока определялось при помощи трубки Пито-Прандтля, закрепленной в координатном устройстве. Для измерения температуры потока и исследуемой поверхности использовались хромель-копелевые термопары. Для исследования локальной теплоотдачи на интенсифицированных поверхностях методом инфракрасной термографии в корпусе аэродинамической трубы было выполнено технологическое отверстие, позволяющее герметично установить объектив тепловизора NEC TH71. Обработка полученных данных производилась с помощью стандартного программного обеспечения NEC Image Processor ver.4.7. build.4.7.26. Для обеспечения высокого качества тепловизионной съемки на поверхность наносилось покрытие с заданной степенью черноты (шпаклевка), при этом при измерении температур показания тепловизора сравнивались с показаниями термопар в реперных точках. Оптическая система тепловизора обеспечивала заданный угол получения изображения. Данная методика обеспечивала погрешность определения плотности теплового потока ±20 %. На основе измерений плотности теплового потока по параметрам электрического тока на нагревателе, температуры потока и локальной и осредненной температуры по поверхности с помощью программного обеспечения NEC Image Processor определялись локальные и осредненные по интенсифицированной поверхности коэффициенты теплоотдачи. Тестовые опыты на гладкой пластине при ламинарном и турбулентном режиме обтекания потока воздухом пластины показали расхождение экспериментальных и теоретических расчетных значений коэффициентов теплоотдачи (8-15) %.

На описанном стенде также производилась визуализация обтекания воздухом поверхностей с одиночными или системами поверхностных интенсификаторов с помощью саже-керосиновой и саже-масляной визуализации.

Для исследования гидродинамики и теплоотдачи в каналах с поверхностными интенсификаторами при вынужденной конвекции газа использовался экспериментальный стенд, состоящий из системы подачи воздуха, системы измерений и рабочего участка. Основными элементами системы подачи воздуха являются входное устройство, объемный компрессор, фильтр-маслоуловитель, перепускной вентиль, расходомерная шайба, ресивер. В работе исследовались только турбулентные течения в диапазоне чисел Рейнольдса Re_D=wD/=(9_27)·10³ (D - эквивалентный диаметр канала). Газодинамический тракт рабочего участка представлял собой теплоизолированный канал прямоугольного сечения шириной 96 и длиной 190 мм. Высота канала менялась сменными вставками высотой 2_12 мм, что обеспечивало изменение относительной длины канала в пределах L/D=8,9_48,7. На одной из поверхностей стенок канала размером 96х 190 мм методом фрезерования наносились рельефы из выемок. Данная стенка во время опытов нагревалась за счет встроенного электронагревателя сопротивления. Температура поверхности измерялась с помощью 24 термопар, расположенных по длине пластине в областях между выемками и в них, что позволяло более точно определять осредненную температуру интенсифицированной поверхности с учетом неравномерности распределения температур на ней. В опытах также фиксировались средние температуры и статические давления теплоносителя на входе и выходе из рабочего участка и расход теплоносителя через рабочий участок. Коэффициент теплоотдачи в канале определялся калориметрическим методом по определяемому тепловому потоку через расход и температуры теплоносителя (которые проверялись через измеряемые параметры электрического тока на нагревателе с учетом определяемых в тестовых опытах потерь через стенки канала), разнице измеренных средней температуры стенки и средней температуры теплоносителя в канале и площади теплообмена с учетом ее развития за счет нанесения выемок. Коэффициент гидросопротивления определялся по перепаду давления на участке, длине и гидравлическому диаметру канала, среднемассовой скорости потока в канале и его плотности. Оценка ожидаемой погрешности показала, что принятая методика и используемое метрологическое оборудование должно обеспечить погрешность измерений коэффициентов теплоотдачи до ±15 %, а коэффициента гидросопротивления - до ±8 %. Тестовые опыты, проведенные на стенде для гладкого канала при L/D=8,9_48,7 показали согласование экспериментальных и расчетных данных по гидросопротивлению и теплоотдаче с учетом влияния длины начального участка (отклонение экспериментальных и расчетных данных не более ±15 %).

В третьей главе проведен анализ гидродинамической картины обтекания сферических, цилиндрических и траншейных выемок. На основе данных по визуализации разработаны карты режимов обтекания. Установлена общность процессов переноса при обтекании потоком теплоносителя систем сферических, цилиндрических и траншейных выемок как элементов дискретной шероховатости, на основе чего физическая модель течения и теплообмена в каналах со сферическими выемками распространена на системы цилиндрических и траншейных выемок.

Визуализация течений проводилась при течении воды в плоских каналах различной высоты с односторонним расположением одиночных и систем сферических (рис. 2), цилиндрических (рис. 3) и траншейных (рис. 4) выемок при температуре теплоносителей 15_20 єС, Re_D=15-20 000 и параметрах интенсификаторов и канала h/d=0,1_0,5; h/H=0,06_2,0; H/d=0,21_1,42 (H - высота канала). Угол расположения траншейных выемок относительно набегающего потока варьировался в пределах 0_90 .

Ламинарный режим характеризовался четкими, неразмытыми и прямыми линиями течения основного потока в канале. Ламинарно-турбулентный переход фиксировался как начало полного размытия траектории движения вводимого красящего вещества (тушь, чернила). Результаты визуализации выявили следующие режимы обтекания сферических выемок: 1) ламинарное безотрывное обтекание; 2) ламинарное отрывное обтекание выемки с присоединением потока ко дну выемки; 3) ламинарное течение без присоединения потока ко дну выемки; 4) турбулентное течение с присоединением потока в выемке; 5) турбулентное отрывное обтекание выемки без присоединения потока ко дну выемки (классификация режимов принята согласно работам А.И. Леонтьева, В.В. Олимпиева и др.).

 а

б

в

г

Рис. 2. Режимы обтекания сферических выемок в канале. Направление потока слева направо: а_ламинарное безотрывное обтекание; б_ламинарное отрывное обтекание с присоединением ко дну выемки; в_ламинарное отрывное обтекание без присоединения ко дну выемки; г_турбулентное отрывное обтекание без присоединения ко дну выемки

а

б

в

г

Рис. 3. Режимы обтекания цилиндрических выемок в канале. Направление потока справа налево: а_ламинарное безотрывное обтекание; б_ламинарное отрывное обтекание выемки с присоединением ко дну; в_ламинарное и турбулентное отрывное обтекание выемки без присоединения ко дну выемки; г_турбулентное отрывное обтекание одиночной выемки без присоединения ко дну выемки

Отличительной особенностью обтекания цилиндрических выемок от сферических являлось возможность формирования одно-, двух-, трех- и четырехячеистых вихревых структур в выемке при ламинарном течении без присоединения потока ко дну выемки по сравнению с характерным для сферических выемок развитием одно- и двухячеистых вихревых структур при этом режиме, а также формированием вторичных зон рециркуляции в более острых углах на дне выемки. Для траншейных выемок выявлена зависимость наличия одно- и двухячеистых вихревых структур в выемке при отрывном обтекании выемок без присоединения ко дну выемки и области формирования центрального и торцевых парных вихревых за выемкой от угла ориентирования выемки к потоку и скорости потока.

а) Ламинарное безотрывное обтекание траншейной выемки: w0=0,006-0,045 м/с; Reh=5,3_10,2; Red=51-277; ReD=159-865; h/d=0,1_0,19

б) Ламинарное отрывное обтекание траншейной выемки с присоединением ко дну выемки: h/d=0,1-0,32, w₀=0,006-0,109 м/с; Re_h=19,9-46; Re_d=243-520; Re_D=85-1624

в) Ламинарное и турбулентное отрывное обтекание траншейной выемки с присоединением ко дну выемки: h/d=0,2-0,5

Рис. 4. Режимы обтекания траншейных выемок в канале. Направление потока справа налево

Эксперименты по визуализации обтекания сферических выемок также проведены в аэродинамической трубе на воздухе в области скоростей от 20 до 60 м/с при использовании сферических выемок с h/d=0,09_0,5. В ходе опытов дополнительно получены сведения о развитии "переключательного" режима обтекания выемок, связанного с переключениями эпицентров вихревых структур в выемках при h/d=0,2_0,5 и Re_h=32 000_63 000. Данные картины течения были подтверждены также результатами численных исследований, приведенными в диссертации. Выявлены частота переключений и ее неравномерность в системах выемок.

Результаты визуализации позволили определить механизмы интенсификации теплоотдачи при нанесении рельефов выемок различной формы: более ранний ламинарно-турбулентный переход в каналах, периодическое обновление пограничного слоя за выемками и турбулизация потока за выемками происходит за счет воздействия периодического (переключательного) выброса массы из выемок в пристенный слой в виде центрального и торцевых парных вихрей.

На основе результатов визуализации разработаны карты режимов для сферических, цилиндрических и траншейных выемок (рис. 5). Для цилиндрических и траншейных выемок карты режимов разработаны впервые. Для сферических выемок проведено уточнение полученной ранее Ю.Ф. Гортышовым и И.А. Поповым карты режимов для воздуха путем учета данных для воды. Карты режимов приведены в координатах Re_h-h/d и Re_D-h/d. Все режимы для различных выемок соответствуют ранее показанным моделям обтекания. Анализ карт режимов показывает их подобие по значениям переходных чисел Рейнольдса. Из карт режимов также видно, что увеличение относительной глубины выемки h/d приводит к более раннему ламинарно-турбулентному переходу. Разработанные карты позволяют прогнозировать режим обтекания, на основе которого производится выбор расчетных формул для гидросопротивления и теплоотдачи.

Результаты визуализации сферических, цилиндрических и траншейных выемок показали подобие физических моделей обтекания выемок. Поэтому для описания механизмов течения в выемках могут использоваться физические модели обтекания сферических выемок, изложенные в работе А.И. Леонтьева с соавторами и показанные на рис. 6.

Обтекание сферических выемок

Обтекание цилиндрических выемок

Обтекание траншейных выемок

Рис. 5. Карты режимов обтекания одиночных и систем сферических, цилиндрических и траншейных выемок в каналах

Отличительной особенностью физических моделей для цилиндрических и траншейных выемок является наличие вторичных рециркуляционных зон. Таким образом, для цилиндрических и траншейных выемок пригодны расчетные модели, предложенные в работах А.И. Леонтьева и др.

В четвертой главе представлены результаты экспериментального исследования гидросопротивления и теплообмена в каналах со сферическими, цилиндрическими и траншейными выемками и сравнительный анализ теплогидравлической эффективности различных поверхностных интенсификаторов. Установлено и математически описано влияние режимных и геометрических параметров на гидросопротивление и теплоотдачу в каналах с цилиндрическими выемками при турбулентном режиме течения. На основе анализа тепловой и теплогидравлической эффективности даны рекомендации для инженерного расчета теплообменных аппаратов с интенсификаторами в виде цилиндрических и траншейных выемок.

а б в

Рис. 6. Физические модели обтекания поверхностей со сферическими, цилиндрическими и траншейными выемками: а_обтекание поверхности с выемками ламинарным потоком c присоединением на дне выемки; б_Обтекание поверхности с выемками ламинарным потоком без присоединения на дне выемки; в_Обтекание поверхности с выемками турбулентным потоком без присоединения потока на дне выемки; 1 - рециркуляционное течение; 2 - внутренний ламинарный пограничный слой; 3-внутренний ламинарный пограничный слой в зоне рециркуляции; 4 - внутренний пограничный слой; 5 - вихревая ячейка; 6 - внутренний парный вихрь; 7 - слой смешения; 8 - смерчеобразный вихрь; 9 - вихрь Кармана; 10 - вторичная зона рециркуляции

Исследования распределения локальных коэффициентов теплоотдачи при обтекании пластины с нанесенными рельефами производились на экспериментальном стенде в виде воздушной аэродинамической трубы методом инфракрасной съемки (рис. 7).

Исследования производились на одиночных и системах выемок сферической, цилиндрической и траншейной формы в диапазоне течений, соответствующих турбулентному отрывному обтеканию выемок без присоединения ко дну выемки (Re_h=20 000_65 000). Исследовались выемки относительной глубиной h/d=0,09_0,5 при их шахматном и коридорном расположении. Для траншейных выемок изменялся угол натекания воздушного потока от 45° до 90°. В ходе экспериментов обоснованы механизмы интенсификации теплоотдачи и показано их подобие для всех исследуемых типов интенсификаторов теплоотдачи как элементов дискретной шероховатости. Для всех исследованных форм наблюдалось повышение температуры в выемках (понижение коэффициентов теплоотдачи), причем наблюдался рост температуры от задней кромки к передней, что соответствует развитию внутреннего пограничного слоя в рециркуляционном течении по дну выемки (рис. 7). За выемкой наблюдалось значительное понижение температуры в зоне повышенной теплоотдачи из-за обновления пограничного слоя и турбулизирующего воздействия вихревых структур, образующихся за выемкой. Установлено, что влияние выемки на поток сохраняется на расстоянии порядка 2d от выемки вниз по течению. В поперечном направлении зона влияния выемки достигает 0,5d. Описанная картина тепловизионных наблюдений полностью соответствует изложенной в главе 3 физической модели турбулентного отрывного обтекания выемок без присоединения потока к их дну.



а б

в

г

Рис. 7. Примеры распределения температур на поверхности пластин со сферическими (а - h/d=0,3, q_w=2780 Вт/м ², w=27,33 м/с; б - h/d=0,5, w₀=17,82 м/с, q=3 667 Вт/м ²), цилиндрическими (в - h/d=0,5, w=15,24 м/с) и траншейными (г - h/d=0,3, l=d, ц=45 є, w=49,19 м/с) выемками, полученные тепловизионной съемкой

В ходе тепловизионных исследований также произведена оценка средних коэффициентов теплоотдачи на исследованных поверхностях с рельефами сферических, цилиндрических и траншейных выемок. Для пластин со сферическими выемками в шахматном расположении при h/d=0,3, ( - относительная площадь поверхности, занимаемая выемками) установлено повышение коэффициентов теплоотдачи до /_гл=3,77 раза при различных скоростях обтекания (Re_x=(1,5-6)^.10⁵). Полученные значения численно соответствуют ранее полученным данным для каналов (работы Ю.Ф. Гортышова и И.А. Попова). В ходе тепловизионных исследований теплоотдачи на пластинах с цилиндрическими выемками при турбулентном режиме обтекания выявлена интенсификация теплоотдачи на уровне /_гл=1,5 раза при изменении в диапазоне h/d=0,5, , (Re_x=(1,5-6)^.10⁵) (рис. 8 а). Наибольший прирост средних коэффициентов теплоотдачи соответствовал пластинам с h/d=0,5. Для систем траншейных выемок исследование теплоотдачи показало, что интенсификация средней теплоотдачи составляет до 1,8 раза при h/d=0,35, , Re_x=(1,5-6)^.10⁵ (рис. 8 б), коэффициенты теплоотдачи максимальны при шахматном расположении выемок с наклоном траншей в одном направлении, максимальная интенсификация наблюдается при использовании выемок с h/d=0,5. При изменении угла наклона выемки к потоку в диапазоне от 45 до 90 ° наблюдается экстремум при ц=67,5 °. Это экспериментально подтверждает полученные в расчетных работах С.А. Исаева и др. данные об оптимальном угле наклона траншейных выемок, близком к ц=74 °.

а б

Рис. 8. Данные по средней теплоотдаче на пластине с цилиндрическими (а) и траншейными (б) выемками: точки - эксперимент, линия - расчет для турбулентного режима обтекания гладкой пластины

В работе проведено экспериментальное исследование коэффициента гидросопротивления (рис. 9) и средних коэффициентов теплоотдачи (рис. 10) в щелевых каналах с соотношением высоты к ширине канала от 0,02 до 0,125 при одностороннем нанесении цилиндрических выемок в шахматном порядке. Диаметр выемок составлял d=16 мм, глубина выемок составляла h=1,6; 3,2; 5,6; 8,0 мм, что обеспечивало относительную глубину выемок h/d=0,1; 0,2; 0,35; 0,5. Увеличение поверхности составляло 7,7; 15,5; 27,2; 38,8 % в соответствии с относительной глубиной выемок. Площадь исходной гладкой поверхности составляла 198х 96 мм, плотность расположения выемок 0,52. Исследовались каналы с относительной длиной L/D?50.

Рис. 9. Экспериментальные данные по гидравлическому сопротивлению в каналах с цилиндрическими выемками

Коэффициент гидросопротивления определялся по измерениям статического давления на входе и выходе из канала, скорости потока, длине канала и его гидравлическому диаметру. Отборники давления устанавливались в области течений, где влияние вихревых и обратных течений, генерируемых выемками, практически исключено. Исследования проведены в диапазоне чисел Re_D=9 000_27 000, при которых согласно разработанной карте режимов при h/d=0,1_0,5 в каналах с цилиндрическими выемками гарантированно реализуется турбулентный режим течения без присоединения потока ко дну выемки.

Рис. 10. Экспериментальные данные по среднему коэффициенту теплоотдачи в каналах с цилиндрическими выемками

Данный режим течения наиболее интересен для практических приложений. Повышение гидросопротивления /_гл в исследованном диапазоне чисел Рейнольдса Re_D при нанесении выемок относительной глубины h/d=0,1; 0,2; 0,35 и 0,5 (h/D=0,4; 0,8; 1,4 и 2) составило 7,4; 49; 50 и 53 %, соответственно. Обобщение экспериментальных данных производилось по модели =f(Re_D, h/D). Анализ влияния h/D при h/d=0,2_0,5 на коэффициент гидросопротивления в каналах с L/D=48,7 показал практически автомодельность (в пределах точности эксперимента) коэффициента гидросопротивления от h/D, поэтому обобщение производилось отдельно для каналов с h/d=0,2_0,5 и для каналов с h/d=0,1_0,2. Получены зависимости для коэффициентов гидросопротивления в виде:

- для h/d=0,2_0,5,

h/D=0,8_2 (1)

- для h/d=0,1_0,2 и

h/D=0,4_0,8 . (2)

Зависимости (1) и (2) справедливы в диапазоне Re_D=9 000_25 000, L/D=48,7, и описывают все точки с погрешностью ±11 % и ±9 % соответственно при доверительной вероятности 0,95.

В работе проведено также исследование относительно коротких каналов при L/D=8,9_20,0 с учетом влияния начального участка, что обусловлено использованием интенсификации теплообмена в подобных каналах в системах охлаждения лопаток газовых турбин, микротеплообменниках и т.д. Для данных каналов также получены расчетные зависимости в виде:

- для h/d=0,2_0,5 расчет можно производить по зависимости (1)

- для h/d=0,1_0,2

. (3)

Зависимости (1) и (3) справедливы в диапазоне Re_D=9 000_27 000 и описывают все точки с погрешностью ±15 % и ±8 %, соответственно, при доверительной вероятности 0,95.

Анализ влияния на увеличение коэффициента гидросопротивления /_гл в канале с цилиндрическими выемками относительных конструктивных параметров канала (относительной длины L/D) и относительной глубины шероховатости (h/d, h/D) показал (рис. 11), что с уменьшением L/D значение о_гл возрастает; с уменьшением L/D значение о возрастает при h/D=0,1_0,2 и становится практически постоянным при h/D=0,2_0,5; при постоянных L/D в диапазоне 10,5_48,7 с увеличением h/D (h/d) относительные гидравлические потери о/о_гл в основном возрастают, при этом с ростом h/D (h/d) интенсивность роста о/о_гл замедляется, а при L/D=8,9 с ростом h/D (h/d) значение о/о_гл практически постоянно; с уменьшением L/D уровень значений о/о_гл уменьшается.

Рис. 11. Влияние на увеличение коэффициентов гидросопротивления и средней теплоотдачи в канале с цилиндрическими выемками относительных конструктивных параметров канала (относительной длины L/D) и относительной глубины шероховатости (h/d, h/D) при (Re_D=20000)

Исследование теплоотдачи производилось с определением теплового потока калориметрическим методом, площади теплообмена с учетом развития за счет нанесения выемок, средних температур поверхности теплообмена и теплоносителя.

Исследования средних коэффициентов теплоотдачи в каналах с односторонним нанесением цилиндрических выемок при L/D=48,7 и обобщение экспериментальных данных по средней теплоотдаче производилось по моделям:

Nu_D=f(Re_D,Pr,h/D, T_f/T_w),

которые позволили получить расчетную зависимость для среднего коэффициента теплоотдачи в виде:

. (4)

Зависимость (4) описывает экспериментальные точки в диапазоне Re_D=12 500-25 000, h/d=0,1_0,5; h/D=0,4_2,0 с отклонением ±15 % при доверительной вероятности 0,95.

Исследования теплоотдачи в относительно коротких каналах с L/D=8,9_48,7 (рис. 11) позволили отметить, что при L/D=48,7 с увеличением h/D (h/d) интенсификация теплоотдачи Nu/Nu_гл возрастает. При постоянных L/D в диапазоне L/D=8,9_20,0 при переходе с h/d=0,1 до 0,2 наблюдается незначительное уменьшение Nu/Nu_гл и затем с ростом h/d с 0,2 до 0,5 - постоянный рост Nu/Nu_гл. При уменьшении L/D наблюдается уменьшение уровня Nu/Nu_гл при h/d=0,5; 0,35 и частично 0,2 (при уменьшении L/D c 48,7 до 20,0), при h/d=0,1 и частично 0,2 (при уменьшении L/D c 20,0 до 8,9) уровень Nu/Nu_гл практически постоянен.

Для оценки в инженерных расчетах уровня средней теплоотдачи в каналах различной длины с цилиндрическими выемками получены зависимости вида

Nu=f(Re, Pr, h/D, L/D, T_f/T_w):

- для h/d=0,2_0,5:

; (5)

- для h/d=0,1:

. (6)

Зависимости (5) и (6) описывают экспериментальные точки с отклонением ±15 % при доверительной вероятности 0,95 в диапазоне изменения определяющих параметров Re_D=12 500_25 000, L/D=8,9_48,7; h/d=0,1_0,5, =0,04_0,06.

Теплогидравлическая эффективность каналов с цилиндрическими выемками оценивалась с использованием критерия:

= [(Nu/Nu_гл)/(/_гл)].

Установлено, что максимальное значение критерия свойственно цилиндрическим выемкам с h/d=0,1. В этом случае теплогидравлическая эффективность [(Nu/Nu_гл)/(/_гл)]=1,2_1,3 во всем диапазоне изменения чисел Re_D=9 000_27 000 (при этом повышение коэффициентов теплоотдачи может достигать 25_74 %). Полученные значения теплогидравлической эффективности цилиндрических выемок сопоставимы с максимальной теплогидравлической эффективностью поперечных кольцевых выступов и сферических выемок, сравнительный анализ по которым представлен в работах А.И. Леонтьева и В.В. Олимпиева.

Согласно рекомендациям В.К. Мигая, размеры поверхностных интенсификаторов при турбулентном режиме течения должны быть сопоставимы с толщиной вязкостного подслоя и переходной области турбулентного пограничного слоя, суммарная толщина которых в гладком канале оценивается параметром

h⁺=(h/D)Re_D.

В выполненном исследовании, при h/d=0,1 и h/D=0,08 значение h⁺ составляло 65_143 при Re_D=11 000_27 000, а при h/D=0,1 и h/D=0,4 - h⁺=283 при Re_D=11 000 и h⁺=622 при Re_D=27 000. В своих работах Г.А. Дрейцер считает, что при турбулентном течении газов целесообразно искусственно турбулизировать пристенный слой толщиной порядка h⁺=50_200, т.е. реализованные в работе значения h⁺ близки к оптимальным.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Впервые разработаны карты режимов обтекания траншейных и цилиндрических выемок и их систем. Для сферических выемок ранее полученная карта режимов для воздуха дополнена данными для воды.

2. Уточнены физические модели обтекания сферических, цилиндрических и траншейных выемок. Установлено подобие процессов их обтекания.

3. Впервые получены обобщающие зависимости для расчета теплоотдачи и гидравлического сопротивления каналов с цилиндрическими выемками с h/d=0,1_0,5 и =52 % при турбулентном отрывном режиме течения в диапазоне чисел Re_D=9 500_27 000. Максимальный рост теплоотдачи в таких каналах при =52 % и L/D=48,7 составил 25 % при h/d=0,1 и до 75 % при h/D=0,5 при сопоставимом росте гидросопротивления.

4. Определены коэффициенты локальной и средней теплоотдачи на поверхностях с одиночными и "шахматными" и "коридорными" рельефами из траншейных выемок при относительных глубинах выемок h/d=0,1_0,5 и различных углах поворота выемок по отношению к набегающему потоку =0, 22, 45, 67, 90 є. Определено влияние угла наклона траншейных выемок к набегающему потоку на теплоотдачу. Установлено, что максимальная интенсификация теплоотдачи (на 60 % по сравнению с гладкой поверхностью) соответствует ц=67,5 ° при использовании "шахматного" рельефа выемок. На основе тепловизионных исследований обоснованы механизмы интенсификации теплоотдачи при использовании траншейных выемок.

5. Обоснованы оптимальные условия использования исследованных интенсификаторов теплоотдачи. Установлено, что наибольшая теплогидравлическая эффективность цилиндрических выемок при турбулентном режиме их обтекания в диапазоне чисел Re_D=12 500_27 000 составляет =1,2_1,3 и соответствует значениям h/D=0,1 во всем исследованном диапазоне L/D=8,9_48,7.

СПИСОК ТРУДОВ АВТОРА, ОТРАЖАЮЩИХ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов диссертаций:

1. Рыжков Д.В. Гидродинамика и теплообмен на поверхностях со сферическими выемками / Гортышов Ю.Ф., Попов И.А., Щелчков А.В., Рыжков Д.В. // Труды Академэнерго". Казань. 2009, №1, с. 7-22.

2. Рыжков Д.В. Теплогидравлические характеристики теплообменных аппаратов с поверхностной интенсификацией теплообмена в виде сферических выемок и выступов / Гортышов Ю.Ф., Попов И.А., Щелчков А.В., Рыжков Д.В. // Тепловые процессы в технике. Москва. 2009, №3, с. 102-108.

3. Рыжков Д.В. Вихреобразование в отрывных потоках на поверхностях с углублениями различной формы / Попов И.А., Щелчков А.В., Рыжков Д.В. // Труды Академэнерго. Казань. 2010. №3. с. 7-14.

4. Рыжков Д.В. Повышение эффективности котлоагрегатов посредством интенсификации теплообмена / Попов И.А., Яковлев А.Б., Щелчков А.В., Рыжков Д.В. // Энергетика Татарстана. Казань. 2010. №3. с. 31-36.

5. Рыжков Д.В. Интенсификация теплообмена - рациональный способ повышения эффективности газотрубных котлоагрегатов / Попов И.А., Яковлев А.Б., Щелчков А.В., Рыжков Д.В. // Энергетика Татарстана. Казань. 2010. №4.

6. Рыжков Д.В. Перспективные методы интенсификация теплообмена для теплоэнергетического оборудования / Попов И.А., Яковлев А.Б., Щелчков А.В., Рыжков Д.В., Обухова Л.А. // Энергетика Татарстана. Казань. 2011. №1.

7. Рыжков Д.В. Вихреобразование в отрывных потоках на поверхностях с углублениями различной формы / Попов И.А., Щелчков А.В., Рыжков Д.В., Ульянова Р.А. // Тепловые процессы в технике. Москва. 2011. №6. с. 253-258.

Статьи в сборниках:

1. Рыжков Д.В. Теплогидравлическая эффективность каналов со сферическими выступами при ламинарном и переходном режимах / Попов И.А., Щелчков А.В., Лотфуллин М.Н., Рыжков Д.В. // Современная наука: сборник научных статей. Киев. НПВК Триакон. 2010. №2. с. 236-240.

Материалы конференций:

1. Рыжков Д.В. Эволюция вихревых структур при различных режимах обтекания поверхностей со сферическими выемками / Попов И.А., Щелчков А.В., Рыжков Д.В. // ХVII школа-семинар молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева. М.: Издательский дом МЭИ, 2009.

2. Рыжков Д.В. Эволюция вихревых структур при обтекании поверхностей со сферическими выемками // Материалы Международной молодежной научной конференции "XVII Туполевские чтения". Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2009.

3. Рыжков Д.В. Исследование локальной и средней теплоотдачи на интенсифицированных поверхностях теплообмена // Материалы Международной молодежной научной конференции "XVII Туполевские чтения". Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2009.

4. Рыжков Д.В. Вихреобразование в отрывных потоках на поверхностях с углублениями различной формы / Попов И.А., Щелчков А.В., Рыжков Д.В., Ульянова Р.А. // Труды Пятой Российской Национальной конференции по теплообмену. Т.6. Интенсификация теплообмена. Радиационный и сложный теплообмен. М.: Издательский дом МЭИ, 2010. с. 137-140.

5. Рыжков Д.В. Вихреообразование в отрывных потоках на поверхностях с углублениями различной формы / Попов И.А., Щелчков А.В., Рыжков Д.В., Ульянова Р.А. // Школа-семинар молодых ученых и специалистов под рук-вом акад. РАН В.Е. Алемасова. Казань: 2010.

6. Рыжков Д.В. Гидродинамика и теплообмен на перспективных интенсифицированных поверхностях / Рыжков Д.В., Ульянова Р.А. // Материалы Международной молодежной научной конференции "XVII Туполевские чтения". Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2011.

7. Рыжков Д.В. Гидродинамика и теплообмен в каналах с перспективными интенсификаторами / Попов И.А., Щелчков А.В., Рыжков Д.В., Ульянова Р.А. //Проблемы газодинамики и тепломассообмена в новых энергетических технологиях: Тезисы докладов XVIII Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством акад. РАН А.И. Леонтьева (23_27 мая 2011 г., Звенигород). - М.: Издательский дом МЭИ, 2011. - 424 с.

8. Рыжков Д.В. Гидродинамика и теплообмен в каналах с перспективными поверхностными интенсификаторами / Попов И.А., Щелчков А.В., Рыжков Д.В., Ульянова Р.А. // Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий. Сборник материалов ХХIII Всероссийской межвузовской научно-технической конференции. Часть 2. Казань: Издательство "Отечество", 2011. - 276 с.

9. Рыжков Д.В. Гидродинамика и теплоотдача при отрывных течениях в каналах с углублениями различной формы / Попов И.А., Щелчков А.В., Рыжков Д.В., Ульянова Р.А. // Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики "АНТЭ-2011": Материалы VI Международной научно-технической конференции. Т. 1. Казань, 12-14 октября 2011 года. Казань: Изд-во Казанского гос. техн. ун-та, 2011. - 596 с.

10. Рыжков Д.В. Гидродинамика и теплообмен в 2D- и 3D-дискретно-шероховатых каналах при переходных режимах течения / Попов И.А., Щелчков А.В., Яркаев М.З., Рыжков Д.В. // Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики "АНТЭ-2011": Материалы VI Международной научно-технической конференции. Т. 1. Казань, 12-14 октября 2011 года. Казань: Изд-во Казанского гос. техн. ун-та, 2011. - 596 с.

11. Рыжков Д.В. Гидродинамика и теплоотдача при отрывных течениях в каналах с углублениями различной формы / Попов И.А., Щелчков А.В., Рыжков Д.В., Ульянова Р.А. // Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках: Четвертая международная конференция: тезисы докладов. - М.: Издательский дом МЭИ, 2011. - 304 с.

12. Рыжков Д.В. Гидродинамика и теплообмен в 2D- и 3D-дискретно-шероховатых каналах при переходных режимах течения / Попов И.А., Щелчков А.В., Яркаев М.З., Рыжков Д.В. // Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках: Четвертая международная конференция: тезисы докладов. - М.: Издательский дом МЭИ, 2011. - 304 с.

13. Рыжков Д.В. Гидродинамика и теплоотдача в каналах с цилиндрическими углублениями / Рыжков Д.В., Попов И.А., Щелчков А.В. // Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических технологиях: тезисы докладов Международной научной школы (Москва, 5-7 сентября 2011 г.) - М.: Издательский дом МЭИ, 2011. - 196 с.

Размещено на Allbest.ru

...