CC BY
22ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССОВ, ПРОИСХОДЯЩИХ В КАНАЛАХ, ИССКУСТВЕННО ТУРБУЛИЗИРОВАННЫХ РАЗЛИЧНЫМИ ТУРБУЛИЗАТОРАМИ Сугиров Д.У.
Сугиров Джиенбек Умирзаевич - профессор, кафедра строительного инжиниринга, Каспийский государственный университет технологий и инжиниринга им. Ш. Есенова, г. Актау, Республика Казахстан
Аннотация: в статье приводятся результаты экспериментальных исследований теплообмена и аэродинамических сопротивлений пучков труб, позволяющие решать задачи нахождения обобщающих зависимостей для расчета их значений, при установке различных турбулизаторов в газоходах установок, при различной скорости теплоносителя.
Ключевые слова: конвективный теплообмен, аэродинамические сопротивления, пучки гладких труб, турбулизаторы.
УДК 621.181
Создание турбулентных вихрей в каналах можно достигать не только за счет увеличения скорости набегающего потока, ни и искусственной турбулизацией.
На основе изучения опытных данных и частных теоретических решений В.К. Мигая, И.Ф. Новожилова, В.М. Антуфьева и Г.С. Белецкого, Э.К. Калинина, А.Л. Лондона и Р.А. Себана, С.С. Кутателадзе, И.С. Хинце и др. исследователей [1-7], видно, что применение теплообменников со сложной геометрией
теплопередающей поверхности и соответственно имеющих сложный характер течения в каналах делает практически невозможным теоретический расчет теплоотдачи и гидравлического сопротивления.
Объяснения этими авторами механизма интенсификации процессов переноса в каналах различных типов во многом не совпадают и для многих поверхностей практически отсутствуют. Используемые ими на практике эмпирические формулы применимы только для конкретных типов поверхностей в диапазоне исследованных геометрических параметров.
В следствии этого, в настоящее время, в литературе практически отсутствуют инженерные модели, позволяющие на их основе рассчитать теплоаэродинамические параметры каналов с интенсификаторами.
Рассмотрим некоторые работы, где делается попытка подробно описать процессы, происходящие в каналах, искусственно турбулизированных турбулизаторами. Как известно, кинетическая энергия турбулентного пульсационного движения состоит из трех частей:
1) уменьшение энергии в следствии внутренних сопротивлений при движении турбулентных объемов;
2) подвода энергии в возмущающее движение из основного течения;
3) перенос энергии турбулентности в слабо турбулизированные области из сильно турбулизированных областей.
Невозможность точного измерения этих составляющих привело к тому, что многие исследования теплоотдачи в каналах со сложной геометрией сопровождаются измерениями только средних полей скорости и температуры.
Известны работы, проведенные при сложных начальных гидродинамических условиях [8], при обтекании кромок[2], уступов [9], турбулизаторов [4]. В этих работах дается попытка описания процессов переноса при отрыве динамического пограничного слоя.
В работе [6] Чжен П.К. дал картину обтекания одиночного цилиндра при различных числах Re. Как видно из рисунка 1 в режимах 1-4 теплоотдача цилиндра в лобовой части выше, чем в кормовой. Турбулизация
свободного ламинарного слоя мала и поэтому дополнительный тепло- и массоперенос незначителен.
При дальнейшем увеличении числа Re (режим 5,6) физическая картина обтекания цилиндра качественно меняется. В этом случае точки отрыва смещаются вниз по течению, теплоотдача в кормовой части становится выше, чем в лобовой. Отрывной пограничный слой приобретает ярко выраженный турбулентный характер. Турбулизация способствует интенсивному тепло- и массопереносу, особенно в кормовой части. Этому факту, по-видимому, способствует устремление в места отрыва турбулентных вихрей, которые интенсифицируют отдачу тепла.
В работе [9] (рис. 1) представлена схема течения при сингулярном отрыве за изломом профиля и типичное распределение коэффициента теплоотдачи. Точка присоединения (область присоединения) является своеобразной критической точкой, по обе стороны которой растекается жидкость. Точке присоединения соответствует максимум теплоотдачи и ее можно использовать как «опорную» для оценки теплообмена на сопряженных участках поверхности.
Авторы работы свидетельствуют, что преимущественная генерация турбулентности при таких течениях происходит не в пристенном слое, а в струйном сдвиговом слое между прямым и обратным течением: именно в нем наблюдается резкий всплеск пульсационных характеристик скорости, температуры, давления на эпюрах, построенных по поперечному сечению потока. Течение при отрыве имеет больше общего со струйными течениями, чем с пристенными.
Также по утверждению авторов увеличение № вблизи точки отрыва вызвано наличием вторичного вихря: он разрушает образовавшийся пограничный слой, транспортирует к поверхности свежие массы жидкости из основного потока. Оценка теплоотдачи от второго вихря еще более затруднительна, а наблюдалась она не всегда, и поэтому, его влиянием в этой работе пренебрегли.
Рис. 1. Картина течения при сингулярном отрыве за изломом профиля
Рис. 2. Схема экспериментальной установки
По мере накопления данных о механизме и закономерностях теплообмена в искусственно турбулизированных потоках количество параметров, связанных с турбулентными характеристиками и вводимых в критериальные зависимости, стало увеличиваться. Это вызвано, прежде всего, повышением требований к надежности измерения характеристик турбулентного потока
и сделало весьма актуальной разработку методов их направленного изменения.
В работе [4] рисунок 2 для канала длиной I =420 мм и высотой 28 =10; 20; 30 мм, на поверхности ее нагрева размещалась искусственная шероховатость типа турбулизаторов пограничного слоя. Турбулизаторы представляли собой поперечные к потоку выступы полуцилиндрической формы высотой И (1 - 4,3 мм), расположенные на поверхности нагрева через равный интервал I (54 мм; 81 мм). Материалом для турбулизатора служила пластмасса АСТТ. Теплообмен в канале обеспечивался в результате электрического обогрева постоянным током стенок канала и охлаждения их потоком воздуха. Здесь в критериях подобия, в качестве определяющего размера, выбиралась длина канала I, а за определяющую температуру - среднее арифметическое от суммы локальных температур в потоке и на стенке по длине канала. По результатам исследования, установлено сильное влияние лобового сопротивления турбулизаторов на эффективность поверхности нагрева канала.
Список литературы
1. Сугиров Д.У., Сергеев С.М. Исследование теплообмена и аэродинамики пучка из труб разного диаметра // Строительство - формирование среды жизнедеятельности // Материалы второй научно-практической Конференции молодых ученых, аспирантов и докторантов. Ч. 2. М., 1999. С. 98-99.
2. Себан Р. Теплоотдача в турбулентном сорванном потоке воздуха за уступом поверхности пластины. Тр. Амер. о-ва инж. механиков. Теплопередача, 1964. Т. 86. № 2. С. 154-161.
3. Кталхерман М.Г., Харитонова Я.И. Некоторые вопросы теплообмена в трубах с турбулизаторами. В кн.: Тепло- и массоперенос. Минск, 1972. Т. 1. Ч. 1. С. 128-131.
4. Берзой С.Е. Исследование теплообмена в условиях
кавитирующего турбулизатора: Автореф. дис..... канд.
техн. наук. М., 1978. 16 с.
5. Леонтьев А.И., Ивин В.И., Грехов Л.В. Полуэмперический способ оценки уровня теплообмена за точкой отрыва пограничного слоя- ИФЖ. № 3, 1975. С. 543-550.
6. Павловский В.Г., Дедусенко Ю.М. Теплообмен и гидравлическое сопротивление в коротком плоскопараллельном канале с искусственно шероховатыми стенками. ИФЖ, 1969. Т. ХУЛ. № 6. С. 1098-1101.
7. Пядюшус А.А., Зигмантас Г.П. Влияние возмущений, вносимых в пограничный слой выступами поверхности, на закономерности турбулентного переноса. В кн.: Проблемы турбулентного переноса. Минск: ИТМО АН БССР, 1979. С. 113-122.
8. Павловский В.Г. К вопросу о влиянии конфигурации турбулизаторов на тепловую эффективность поверхности стенки канала, ИФЖ, 1969. Том ХУ11. № 1. С.155-159.
9. Эпик Э.Я., Козлова Л.Г. О возможностях изменения микроструктуры турбулентного потока при исследованиях конвективного теплообмена //Теплофизика и теплотехника, 1972. Вып. 22. С. 73-78.
