CC BY
37
УДК 532.5:621.694
ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ ТЕЧЕНИЯ ВЯЗКОЙ ЖИДКОСТИ В ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ КОНФУЗОРНО-ДИФФУЗОРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ВОЛНИСТОЙ
ТРУБЫ
Т.Ю. ГОРСКАЯ, Я.Д. ЗОЛОТОНОСОВ
Проведен анализ работ, посвященных интенсификации гидродинамики и теплообмена при гидродинамическом воздействии на поток. Показано, что одним из эффективным методов воздействия на поток является использование вращающейся волнистой трубы с конфузорно - диффузорными элементами. Показана удовлетворительная сходимость теоретических значений осевой скорости с экспериментальными данными[12], подтверждающая адекватность математической модели[7,8].
Вопросам исследования гидродинамики и теплообмена при течении жидкости в трубах и каналах посвящено множество работ [1-8]. В этих исследованиях показано, что, воздействуя на поверхность теплообмена, гидродинамически воздействуя на поток жидкости или на физические свойства жидкости, можно существенно интенсифицировать процесс конвективного теплообмена [1,4], создавать компактную высокоэффективную теплообменную аппаратуру [1,2,4-6].
Так, при конструировании поверхности теплообмена поверхность нагрева со стороны меньшего коэффициента теплоотдачи подвергают оребрению, а иногда каналу придают сечение, отличное от круга, (прямоугольное или треугольное) [1].
Кроме того, поверхности теплообмена подвергают вибрации или вращению в полях массовых центробежных сил [3,6-9].
Гидродинамическое воздействие на поток реализуется увеличением скорости движения жидкости, искусственной турбулизацией потока путем установки планок, решеток, завихрителей и вставок, а также турбулизацией пограничного слоя за счет применения выступов и шероховатостей. Для этих целей в трубах устанавливают вставки в форме шнека или плоской закрученной ленты, лопаточного завихрителя по типу многолопастного пропеллера или турбинного колеса, закручивают поток посредством тангенциального подвода жидкости [4]. Кроме этого применяют трубы с винтовыми одно- и многозаходными плавно очерченными выступами и иными видами накатки [13,10], а также волнистые каналы [1,11], в которых поток движется под действием знакопеременного продольного градиента давления, и волнистые трубы, вращающиеся вокруг своей оси [7-8].
Каналы такого типа представляют собой последовательность чередующихся конфузорных и диффузорных участков различной длины [1], интенсивность теплообмена в которых обусловлена особенностями гидродинамики [2].
Так течение жидкости в диффузорах характеризуется возрастанием турбулентности и отрывом потока от стенки, поперечным перемешиванием в потоке, что приводит к интенсификации теплоотдачи.
При течении в конфузоре ускорение потока вызывает его упорядочение и соответствующее уменьшение теплообмена. Однако если поток поступает в
© Т.Ю. Горская, Я.Д. Золотоносов Проблемы энергетики, 2003, № 5-6
конфузор после диффузора, то турбулентные возмущения течения, генерируемые диффузором и отрывной зоной кромки стыка его с конфузором, обеспечивают высокий уровень теплообмена и в конфузоре [1,2,12].
Угол раскрытия диффузора не должен превышать предельного безотрывного угла (9°...11°) [4], при котором возникает существенное
стационарное отрывное течение, резко увеличивающее гидравлическое сопротивление канала и почти не изменяющее теплообмен [2].
Сравнивая каналы различной конфигурации, авторы [4,12] показали, что в диапазоне чисел Ие до 3000, т.е. в ламинарной области течения и в области слаборазвитой турбулентности, наибольшие эффекты увеличения теплоотдачи обеспечивают методы воздействия на пристенную область (трубы, соответственно, с кольцевыми выступами, волнистые каналы типа конфузор-диффузор). При числах Ие >8000 превалирующее влияние на теплообмен начинает оказывать турбулентность, что характерно для методов, основанных на применении искусственной периодической шероховатости. Для сред с большой вязкостью более перспективна закрутка потока теплоносителя вокруг продольной оси трубы [4,5]. По данным автора [19] для волнистых каналов характерна высокая эффективность теплообмена в широком диапазоне чисел Рейнольдса.
Научный и практический интерес представляют исследования гидродинамики и теплообмена при течении вязкой жидкости во вращающихся каналах сложного поперечного сечения, например, прямоугольного или треугольного профилей. Особо актуальны исследования гидродинамических закономерностей в конфузорно-диффузорных элементах вращающейся волнистой трубы.
Известно, что в канале постоянного сечения вращение возмущает и турбулизирует первоначально ламинарный поток. Гидравлическое сопротивление и число Нуссельта в этом случае могут возрасти в 3. 5 раз. Наоборот, первоначально турбулентный поток ламинаризуется, а число Нуссельта и коэффициент гидравлического сопротивления могут уменьшаться на 60.70%. Изменение геометрии канала кардинальным образом изменяет характер течения, инициирует пульсации скорости, обратные течения вдоль оси, распад вихря [3,14], интенсифицирует теплообмен [3,6].
Так расчеты показывают [1], что в центробежном поле прямоугольные каналы обладают заметным преимуществом перед треугольными, а те, в свою очередь, значительно уступают каналам круглого [1] и полукруглого сечения [15]. При этом использование прямоугольных каналов в теплообменной аппаратуре приводит к трети экономии поверхности нагрева по сравнению с каналами круглого сечения, но увеличивает перепад давления почти в четыре раза [1].
На основании проведенного анализа результатов последних исследований [3-6, 10,14,15] можно сделать выводы, что в научной литературе накоплен обширный экспериментальный и теоретический материал, касающийся гидродинамики и теплообмена при течении вязкой жидкости в неподвижных и вращающих трубах и каналах круглого и сложного поперечного сечения. Однако в литературе отсутствуют работы по исследованию гидродинамики и конвективного теплообмена во вращающихся каналах, образованных конфузорно-диффузорными элементами, при движении пара и жидкости в условиях пленочной и капельной конденсаций. Попытки восполнить имеющийся пробел предприняты авторами, описавшими течение вязкой жидкости во вращающемся канале, образованном конфузорно-диффузорными элементами, в работах [7,8,16].
Исследование уравнений движения во вращающемся волнистом канале проводили численно методом прогонки с использованием визуального программирования Бе1рЫ. Частным случаем такого течения является развитие течения в неподвижной волнистой трубе. Поскольку развитие течения в неподвижной волнистой трубе изучено достаточно полно [1,12,13], оно может служить хорошим тестовым контрольным фактором, позволяющим проверить адекватность математической модели течения во вращающемся канале. Для этого достаточно принять значение угловой скорости вращающегося канала равным нулю.
Исходными данными для сравнения явились результаты исследования волнистой трубы в работах [1,12], причем за базовый вариант принят канал (по мнению автора [12] как наиболее эффективный) с длиной диффузорного элемента 8мм, конфузорного - 16мм, углами конусности диффузора и конфузора, соответственно, 7,1° и 14°.
Некоторые результаты численного интегрирования представлены на рис.1.
а)
и/итак
в)
иШтах 1
и/итак 1-
0.3
0.6
0.8
0.6
■У
А V ■У
( сеч ;ние 4
б)
V, * >
н • У /
сече] те 3
1 уЖ
д)
Рис.1 Скорость осредненного течения в ра зличных сечениях трубы (Ке=3.5-104): а - элементы трубы с расчетными сечениями (1 - 4); б, в, г, д - графики осевой скорости в расчетных сечениях. Точки - экспериментальные данные [12];
линии - расчетные данные авторов.
Как видно из приведенных графиков имеет место удовлетворительное совпадение экспериментальных и теоретически рассчитанных значений осевой скорости.
При этом расчетные значения поля скоростей в различных сечениях элементов волнистой трубы характеризуются усеченной параболой (из—за перемешивания) - в диффузоре и по закону параболы (вследствие упорядочения потока) - в конфузоре.
Надежным методом проверки теоретических исследований [7,8] могут служить данные по вращающейся трубе [17]. Задавая углы расширения диффузоров и конфузоров равными нулю, получаем совпадение математической модели [7,8] с теоретическими результатами работы [17].
На рис 2. показан характер изменения безразмерного давления Р в проточной части вращающейся волнистой трубы.
Рис.2. Характер изменения безразмерного давления F в проточной части вращающейся волнистой трубы при различных угловых скоростях: а) ш = 10 с-1; б) ш = 50 с-1; в) ш = 80 с-1.
Цифры на графиках - номера сечений в радиальном направлении.
Summary.
The many papers about upgrading hydradinamics and heat transfer, was analyses by author this article. Using rotating channel created by the constrictor and diffusive elements is one of the effective methods of the effect on flow. Satisfactory convergence of the theory’s date of axis’s velocity with experimental [12] dates was display. It is confirm of fit the mathematical models[7,8].
Литература.
1. Мигай В.К. Повышение эффективности современных теплообменников. -Л.: Энергия, 1980. - 144 с.
2. Гортышов Ю.Ф., Олимпиев В.В. Теплообменные аппараты с
интенсифицированным теплообменом.- Казань: КГТУ, 1999. - 175 с.
3. Авраменко А.А., Шевчук И.В., Халатов А.А.. Теплообмен и гидродинамика в полях центробежных массовых сил. - Киев: Наук. Думка, 1996. - Том 2.228 с.
4. Давлетшин Ф.М., Овчинников А.А., Николаев Н.А. Интенсификация теплообмена при дисперсно-кольцевом течении газожидкостного потока в каналах.- Казань: КГУ, 2001. - 87 с.
5. Назмеев Ю.Г. Гидродинамика и теплообмен закрученных потоков реологически сложных жидкостей. - М.: Энергоатомиздат, 1996. - 299 с.
6. Щукин В.К. Теплообмен и гидродинамика внутренних потоков в полях массовых сил. -М.: Машиностроение, 1970. - 240 с.
7. Горская Т.Ю., Золотоносов Я.Д., Маминов О.В. Математическая модель течения вязкой жидкости во вращающейся трубе, образованной конфузорно-диффузорными элементами //Известия вузов. Проблемы энергетики. - 2002.- №11-12.- С.33-39.
8. Горская Т.Ю., Золотоносов Я.Д. Исследование гидродинамических закономерностей течения вязкой жидкости в теплообменнике с вращающейся рабочей поверхностью//Проблемы гидродинамики и теплообмена в энергетических установках: Тезисы докладов 16-ой Школы семинара молодых ученых и специалистов под рук. Акад. РАН А.И. Леонтьева. - Рыбинск: РГТУ.- 2003. - Том 1. - С.221-224.
9. Золотоносов Я.Д., Шафигуллин Т.Р. Центробежный пароструйный подогреватель для систем теплоснабжения объектов энергетики //Эффективные энергетические системы и новые технологии. Тезисы 1-ой Международной научно- практической конференции. - Казань.- 2001. - С. 293 - 295.
10. Колин С.А. Теплообмен при ламинарном течении вязкой жидкости в профильно -винтовых каналах. Дисс... канд. техн. наук.- Казань- 2003. -112 с.
11. Rush T.A., Newell T.A., Jacobi A.M. An experimental study of flow and heat
transfer in sinusoidal wavy passages. .//Int. J. Heat Mass Transfer. 1999. -Vol. 42; №9.- P. 1541 - 1553.
12. Мигай В.К., Быстров П.Г. Интенсификация теплообмена в волнистых трубах // Известия АН. Теплоэнергетика. - 1976.- №11. - С. 74 -76.
13. Мигай В.К. Моделирование теплообменного энергетического оборудования. - Л.: Энергоатомиздат, 1987. - 132 с.
14. Шевчук И.В., Халатов А.А. Теплообмен и гидродинамика в каналах, вращающихся относительно своей оси // ИФЖ. - 1997.- Том 70.- №3.- С. 514 -528.
15. Кочубей А.А., Ракита Е.М., Рядно А.А. Расчет гидродинамики и теплообмена во вращающихся каналах на основе метода конечных элементов // Сибирский физ.-техн. журн. -1991.- № 1.- С. 129 - 132.
16. Пантелеева Л.Р., Золотоносов Я.Д. Математическая модель и алгоритм численной реализации конвективного теплообмена в аппарате с вращающейся рабочей поверхностью // Известия вузов. Проблемы энергетики.- 2003.- №1-2.- С.25-32.
17. Шафигуллин Т.Р., Золотоносов Я. Д., Рябчук Г.В. Исследование гидродинамики течения инжектирующей жидкости во вращающейся трубе центробежного струйного подогревателя // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. -1999.-№5-6.-С. 104-107.
