Импульсный газокапельный поток. Динамика фаз и теплообмен Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 536.2

ИМПУЛЬСНЫЙ ГАЗОКАПЕЛЬНЫЙ ПОТОК. ДИНАМИКА ФАЗ И ТЕПЛООБМЕН

Александр Дмитриевич Назаров

Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1; Новосибирский государственный университет, 630090, Россия, г. Новосибирск, ул. Пирогова, 2, доктор технических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)330-64-66, e-mail: nazarov@itp.nsc.ru

Анатолий Федорович Серов

Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник; Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, профессор, тел. (383)330-64-66, e-mail: serov@itp.nsc.ru

Виктор Иванович Терехов

Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, доктор технических наук, зав. отделом; Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, профессор, тел. (383)330-67-36, e-mail: terekhov@itp.nsc.ru

Павел Николаевич Карпов

Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, аспирант, тел. (383)330-64-66, e-mail: flags712008@ya.ru

Николай Богданович Миськив

Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, аспирант; Новосибирский государственный университет, 630090, Россия, г. Новосибирск, ул. Пирогова, 2, старший научный сотрудник, тел. (383)330-64-66, e-mail: nikerx@gmail.com

Работа представляет результат экспериментального исследования охлаждения импульсным газокапельным потоком с расходом жидкостной фазы в диапазоне 0,003-0,09 [кг/м2-с] гладкой вертикальной поверхности с нагревом до температуры ниже уровня насыщения воды (70 °С) при атмосферном давлении. Представлены результаты исследования параметров жидкостно-капельной фазы и ее динамика при распространении в спутном воздушном потоке от источника газокапельного потока до охлаждаемой поверхности. Полученные экспериментальные данные теплоотдачи сопоставляются с данными других авторов, исследовавших теплообмен к стационарному спрею.

Ключевые слова: импульсный газокапельный поток, пленка жидкости, испарение, теплообмен.

PULSE AEROSOL. PHASE DYNAMICS AND HEAT TRANSFER

Alexandr D. Nazarov

Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Аkademik La-vrentiev Prospect; Novosibirsk State University, 630090, Russia, Novosibirsk, 2 Pirogova St., D. Sc., Professor, tel. (383)330-64-66, e-mail: nazarov@itp.nsc.ru

Anatoly F. Serov

Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Akademik Lavrentiev Prospect, D. Sc., Professor, chief researcher; Novosibirsk State Technical University, 630073, Russia, Novosibirsk, 20 K. Marx Prospect, Professor, tel. (383)330-64-66, e-mail: serov@itp.nsc.ru

Viktor I. Terekhov

Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Akademik Lavrentiev Prospect, D. Sc., The Head of Department; Novosibirsk State Technical University, 630073, Russia, Novosibirsk, 20 K. Marx Prospect, Professor, tel. (383)330-67-36, e-mail: terekhov@itp.nsc.ru

Pavel N. Karpov

Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Akademik Lavrentiev Prospect, graduate student, tel. (383)330-64-66, e-mail: flags712008@ya.ru

Nikolay B. Miskiv

Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Akademik Lavrentiev Prospect, graduate student; Novosibirsk State University, 630090, Russia, Novosibirsk, 2 Pirogova St., senior researcher, tel. (383)330-64-66, e-mail: nikerx@gmail.com

The work is the result of an experimental study of the cooling pulse gas-drop flow with a flow rate of the liquid phase in the range of 0.003-0.09 [kg / m2-s] a smooth vertical surface by heating to a temperature below the saturation level of water (70 °C) at atmospheric pressure. The results of the study parameters of the liquid-drop phase and its dynamics in the propagation of the air flow in the wake of the source of gas-droplet stream to the cooling surface. The experimental heat transfer data are compared with those of other authors who studied heat transfer to a steady spray.

Key words: pulsed gas-drip flow, liquid film, evaporation, heat exchange.

Одним из направлений поиска методов интенсификации охлаждения является исследование систем на основе пульсирующих и сканирующих потоков. В основу таких систем положены результаты теоретических и экспериментальных работ по изучению как самой капельной струи, так и процессов ее периодического взаимодействия с охлаждаемыми поверхностями [1-5]. Основные направления этих исследований были нацелены на изучение влияния гармонической модуляции геометрии потока спрея на его газодинамическую структуру и возможность управления коэффициентом теплоотдачи. Изучалось воздействие на спрей механических модуляторов, пьезоэлектрических активаторов [4], а также акустического поля [5]. При использовании импульсного спрея, подбором таких параметров, как скорость спрея, соотношение длительности и частоты импульсов и др., можно эффективно управлять тепломассообменными процессами [4, 5]. Дополнительным фактором увеличения эффективности теплоотдачи является применение спутного газового потока совместно с аэрозолем.

Сложность процессов, протекающих в нестационарных газокапельных потоках, их многофакторность не позволяют к настоящему времени составить полной картины термогазодинамических процессов, связанных с теплообменом.

Данная работа представляет результат экспериментального исследования охлаждения импульсным газокапельным потоком с расходом жидкостной фазы в диапазоне 0,003-0,09 [кг/м2-с] гладкой вертикальной поверхности с нагревом до температуры ниже уровня насыщения воды (70 °С) при атмосферном давлении. Представлены результаты исследования параметров жидкостно-капельной фазы и ее динамика при распространении в спутном воздушном потоке от источника газокапельного потока до охлаждаемой поверхности. Полученные экспериментальные данные теплоотдачи сопоставляются с данными других авторов, исследовавших теплообмен к стационарному спрею.

В состав экспериментальной установки [6] входят: программируемый управляемый источник многоструйного импульсного спрея, цифровой калориметр с теплообменником и автоматизированная система регистрации параметров газокапельного потока, расхода охлаждающей жидкости и газа, температуры, давления, теплового потока, локальной толщины и скорости пленки на поверхности теплообменника.

Расход жидкостно-капельной фазы импульсного газокапельного потока формировался электромагнитными жидкостными клапанами, открывающимися на длительность от 2 мс до 10 мс с частотой от 1 до 10 Гц.

Пространство распространения газокапельного многоструйного потока от источника до мишени и взаимодействия потока с мишенью обозначено зонами 1, 2 и 3 (рис. 1).

Рис. 1. Схема обтекания теплообменника газокапельным многоструйным потоком:

1- область струй, 2 - область радиальных газовых струй, 3 -область пристенных течений; qg 1, 1 - полный массовый расход газа и жидкости, qg 2, 2- удельный расход газа и жидкости на поверхности теплообменника

Струя импульсного газокапельного потока представляла собой сформированные инжектором области капельной массы, движущиеся к теплообменнику в постоянном спутном воздушном потоке. Средняя скорость воздуха в зоне 1 (рис. 1) Уа = 8 м/с. В зоне происходит перераспределение капель гидравлического импульса, приводящее к неоднородной массовой плотности капель по

длине жидкостно-капельного импульса [6]. В зоне 2 за счет течения импактного воздушного потока наблюдалось разнонаправленное движение приповерхностных воздушных струй и унос мелких вторичных капель, возникающих при ударе крупных капель о поверхность теплообменника. В зоне 3 наблюдались пристенные потоки жидкой и воздушной фаз.

На рис. 2 представлены зависимость числа Нуссельта от числа Рейнольдса жидкой фазы многоструйного газокапельного потока при синхронном открытии жидкостных клапанов длительностью 2-10 мс и частотой 1-10 Гц, начальная скорость спутного воздушного потока 5 м/с. Сравнение зависимостей показывает, что эффективнее режим открытия клапанов равный 2 мс, при котором высокое значение числа Нуссельта достигается при меньших расходах охладителя ^е < 2).

Рис. 2. Зависимость числа Нуссельта от числа Рейнольдса жидкостной фазы

импульсного спрея

На рис. 3 приведено сравнение данных теплообмена к импульсному газокапельному потоку с данными к стационарному спрею без спутного газового потока, полученные авторами [7] (Oliphant и др.) и [8] (Nitin Karwa, и др.). Во всех трех случаях в качестве охладителя использовалась дистиллированная вода, спрей подавался перпендикулярно к плоской поверхности нагретой ниже 100 °С, в работах [7, 8] расположенной горизонтально, в нашей работе - вертикально.

Оценка чисел Рейнольдса и Нуссельта выполнена аналогично [7, 8] по формулам:

_ GL HL

Re = —, Nu =-,

ц к

где G - удельный расход,

H - коэффициент теплопередачи, ц - динамическая вязкость, к - теплопроводность,

L - длина стороны квадратной теплообменной поверхности.

Рис. 3. Сравнение теплообмена к импульсному и стационарному спреям

Сравнение зависимостей числа Нуссельта показывает, что использование импульсного спрея со спутным импактным потоком газа значительно эффективнее по сравнению со стационарным однофазным аэрозолем.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Президента Российской Федерации НШ-8780.2016.8.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Pavlova A. A., Otani K., Amitay M. Active control of sprays using a single synthetic jet actuator // Int. J. Heat and Fluid Flow. - 2008. - Vol. 29. - P. 131-148.

2. Panao M. R. O., Moreira A. L. N. Intermittent spray cooling: A new technology for controlling surface temperature // Int. J. Heat and Fluid Flow. - 2009. - V. 30. - P. 117-130.

3. Effects of Nozzle Geometry and Ambient Pressure on the Characteristics of a Modulated Spray / D. Wang, A. R. Gandji, C. M. Sipperley, C.F. Edwards // AIAA paper 99-0366. 1999.

4. Pothos S., Longmire E.K. Control of a Particle-Laden Jet Using a Piezo-Electric Actuator // Proc. 11-th Int. Symposium on Applications of Laser Techniques to Fluid Mechanics. Lisbon. 2002.

5. Sujith R. I. An Experimental Investigation of Interaction of Sprays with Acoustic Fields // Exp. Fluids. - 2005. - V. 38. - P. 576-587.

6. Назаров А. Д., Серов А. Ф., Бодров М. В. Интенсификация охлаждения импульсным газокапельным потоком. Аппаратура, параметры, результаты // ЖТФ. - 2010. - Т. 80, № 5. -С.132-135.

7. Oliphant K., Webb B. W., McQuay M. Q. An experimental comparison of liquid jet array and spray impingement cooling in the nonboiling regime // Experimental Thermal and Fluid Science. - 1998. - 18. - P. 1-10.

8. Karwa Nitin, Kale Sunil R., Subbarao P.M.V. Experimental study of non-boiling heat transfer from a horizontal surface by water sprays // Experimental Thermal and Fluid Science. -2007. - 32. - P. 571-579.

© А. Д. Назаров, А. Ф. Серов, В. И. Терехов, П. Н. Карпов, Н. Б. Миськив, 2017