CC BY
9НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ РАЗВИТИЯ ТЕЧЕНИЯ ВО ВТОРИЧНОЙ ПРИСТЕННОЙ СТРУЕ
Гулаков А.А (ssss@mail.ru), Жилкин Б.П.
Уральский государственный технический университет
Системы несимметричных импактных струй (форма поперечного сечения струеобразующего канала не имеет полной симметрии) применяют для интенсификации теплообмена между газовой средой и протяженной поверхностью [1]. Для выявления механизма интенсификации теплоотдачи проводились исследования полей давления системы таких струй на преграду. В этих опытах было замечено, что во вторичном пристенном течении наблюдается некоторое различие между его конфигурацией и формой струеобразующего канала.
Опыты по изучения полей давления проводились на установке, описанной в [2]. Исследовались системы струй, образованные 25 соплами, имеющие форму поперечного сечения в виде круга, квадрата и равностороннего треугольника (рис.1). Все сопла имели одинаковый эквивалентный диаметр йэ=5 мм с длинной профилированной части 10 калибров.
а) б) в)
Рис. 1. Сменные сопла-каналы: а) - круг, б) - квадрат, в) - треугольник.
Типичная картина распределения давления по преграде представлено на рис.2. Градация оттенков серого на представленных рисунках показывает величину и направление градиента давления: серый цвет указывает на нулевое
значение, черные и белые цвета указывают на более высокие значения градиентов, но направленные в разные стороны.
Опыты показали, что топография поля давления системы струй на преграду Р зависит: от формы поперечного сечения сопел, их взаимной ориентации, относительного расстояния до преграды z*=z/dэ, относительного шага между соплами s*=s/dэ и скорости истечения струй w.
у, мм 40
у, мм 40
у, мм 40
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
х, мм
а)
□ □ □ □ □ □ □
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 х,
б)
V V
д д д
V V
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
х, мм
в)
Рис.2. Распределение давления Р системы различных струй на преграду (справа представлена схема ориентации сопел) ^=30 м/с, z*=5, з*=5): а) - круг,
б) - квадрат, в) - треугольник.
Как видно из представленных графиков видно, что форма вторичных пристенных течений несколько трансформируется относительно струеобразующего сопла.
Однако распределение давления не дает детальную картину гидродинамики растекания пристенных струй. Поэтому для были проведены опыты по визуализации течения методом осаждения естественной пыли, так называемый «метод пылевых следов» [3].
В основе механизма данного процесса, проявляющегося с наибольшей силой в узких высокоскоростных струях, лежит инерционный эффект. Взвешенные частицы пыли разгоняются течением в струе, направленным по нормали или под очень острым углом к преграде. При резком повороте потока они по инерции в основном сохраняют траекторию движения и, наталкиваясь на близко расположенную преграду, осаждаются на ней. Значит, по своей природе пылевые следы могут быть индикатором тонких импактных течений.
Опыты проводились на установке, описанной выше, при этом использовались только два сопла, остальные были заглушены. Средняя скорость истечения струй w изменялась от 50 до 60 м/с. Толщина полученного пылевого покрытия имела порядок десятков микрон.
Рис.3. Схема фотографирования пылевых следов: 1 - осветительные лампы; 2 -«черная полость»; 3 - стеклянная фотопластинка; 4 - фотоаппарат; 5 - экраны.
Тонкие следы плохо различались на непрозрачной подложке, даже если она была черного цвета. По этому преградой служила тщательно отмытая стеклянная пластинка размером 130 х 180 мм без видимых оптических
/
дефектов, а визуальное наблюдение и фотографирование производились в темной комнате при специальной технике освещения (рис.3). Последняя позволяла добиться более высокой контрастности снимка, чем способ [3].
На рис.4 представлены фотографии пылевых следов, образующиеся при обдуве пластины парами струй различной формы.
а) б) в)
Рис.4. Фотографии пылевых следов пар различных струй и схема ориентации сопел: (^=60 м/с , z*=z/dэ=0,5, s*= z/dэ=6): а) - круг, б) - квадрат, в) - треугольник.
Из фотоснимков видно, что пылевой след «круглых» струй (рис.4.а) имеет круглую форму, а в центре зоны удара струи хорошо просматривается зона, описываемая в [4] как «циркуляционный рассекатель», вокруг которого образуется ореол. Зональное разложение [5] пылевых следов (рис.5) показало, в что области этого ореола (светлые зоны) существуют вихревые течения, которые в [6] описаны как вихри Тейлора-Гертлера. В зоне соударения пристенных струй, наблюдаются два пылевые полосы, которые вероятно оставлены двумя мощными вихревыми течениями, растекающимися по обе стороны от оси взаимодействия длиной 5dэ. Далее вихревые движения полностью затухают и происходит как бы выдув вторичной пристенной струи
из межвихревой зоны, причем данная струя имеет довольно высокую скорость, о чем свидетельствует осевшая достаточно толстым слоем пыль (не смотря на то, что направление ее движения практически параллельно поверхности) и длина данного слоя, распространявшегося за пределы обдуваемой стеклянной фотопластинки. Ширина данной струи уменьшается при сближении струй.
Рис.5. 3х -зональное (а) и 4х -зональное (б, в) разложения пылевых следов по рис.4.
При сближении сопел картина течения качественно не изменяется. Наблюдается заметное сближение вихревых течений в зоне взаимодействия, а также усиление течения в них, вместе с тем, длина описываемых течений уменьшается до 4dэ.
Как видно, форма пылевого следы, образованного «квадратными» струями (рис.4.б.) сильно отличается от аналогичного, полученного для круглых сопел. След в точке торможения проявляется заметно хуже и при этом не представляется возможно определит его форму. Наружный ореол на всех режимах имел форму квадрата и, что характерно, всегда его положение было повернуто на 45° относительно ориентации самого сопла.
На рис.5.б, где представлено зональное разложение описываемых пылевых следов, видно, что у «квадратных» импактных струй, как и у «круглых», имеется область выхода вихрей Тейлора-Гертлера. Однако в этой же области существуют четыре мощных течения от центра, которые возникают перпендикулярно стороне струеобразующего сопла. Эти течения, вероятно, разрушают вихри Тейлора-Гертлера.
Что же касается зоны взаимодействия пристенных струй, то для однотипных ориентацией сопел («вершина-вершина» и «сторона-сторона») она имеет форму подобную для «круглых» струй только с более выраженными вихревыми течениями. Однако для ориентации «вершина-вершина» эта зона имеет более ровный и длинный (7dэ) характер распространения (рис.4.б и 5.б), в то время как для ориентации «сторона-сторона» в области взаимодействия наблюдается более мощное вихревое течение, но в узкой области (4dэ). Это также показывает , что перпендикулярно стороне сопла развивается более мощное пристенное течение, чем со стороны вершины.
Дополнительным подтверждением этого явления является пылевой след образованный двумя «квадратными» струями при ориентации струе образующих каналов «сторона-вершина» (рис.6). Как видно из снимка зона взаимодействия под действием более сильного движения со стороны грани приобретает изогнутый вид. При чем это смещение составляет 0,5dэ, а протяженность данной области 6dэ. К тому же левый вихрь также обладает более сильным течением и более протяженный, чем правый.
Рис.6. Фотографии пылевых следов в зоне взаимодействия двух импактных струй при ориентации квадратных сопел «сторона-вершина» (а), его 4х -зональное разложение (б) и схема расположения сопел (в) (^=60 м/с; 2*=0,5; s*=6).
Фотоснимки пылевых следов и их зональное разложение, образованных при обдувом парой «треугольных» струй представлены на рис.4.в и 5.в. В целом картин пылевых следов для таких струй полностью соответствуют «квадратным»: в них так же наблюдается по поворот наружного ореола пылевого следа, но на угол 60°; длина вихревых течений для различных ориентаций составляет 8, 4 и 4 калибров соответственно при расположении сопел «вершина-вершина», «сторона-сторона», «сторона-вершина». Как оказалось, при расположении «сторона-вершина» так же происходит изгиб зоны взаимодействия при этом смещение его составляет один калибр.
Представляется интересным тот факт, что у несимметричных струй на некоторых режимах (особенно у «треугольных» струй) в точке торможения струи образуются четкие пылевые следы, форма которых в точности повторяет форму струеобразующего канала (с той же ориентацией), а на некоторых слабо проглядывающиеся, либо вообще отсутствуют. Причем у симметричных струй всегда просматривается слаборазмытый след круглой формы в центре.
При уменьшении шага между соплами картина течения для несимметричных струй меняется так же как и в «круглых» струях.
Таким образом, путем анализа пылевых следов был обнаружен эффект трансформации конфигурации течения во вторичной пристенной струе. Этот эффект наблюдался при всех исследованных расстояниях до преграды 2* и скоростях истечения w менялась только толщина пылевых следов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гулаков А.А., Жилкин Б.П., Бродов Ю.М. Эффективные струйные системы охлаждения камер сгорания ГТУ // Труды XIII Школы-семинара молодых ученых и специалистов по руководством академика РАН А.И. Леонтьева. - М.: Издательство МЭИ, 2001.- Т2. С.240-245.
2. Gulakov A.A., Zhilkin B.P. and Brodov Yu.M. Hydromechanics and Heat Exchange in Gaseous Impinging Jets // Proc. of the 5th World Conference on Experimental Heat Transfer, Fluid Mechanics, and Thermodynamics (Thessaloniki, Greece, 24-28 September). Pisa: Edizioni ETS, 2001. Vol.2. P.1087-1090.
1. Жилкин Б.П. Исследование гидромеханических факторов теплопереноса в импактных струйных потоках: Дис.... канд. техн.наук. Свердловск, Уральский политехнический ин-т им. С.М. Кирова, 1978. - 87с.-Машинопись.
4. Жилкин Б.П., Гулаков А.А., Бродов Ю.М. Интенсификация теплоотдачи в импактных струях путем изменения формы поперечного сечения сопла // Тепломассообмен ММФ-2000. Конвективный теплообмен. Т1. Минск: АНК «Институт тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова НАНБ». Т.1, с.329-336.
5. Костомаров В.М, Жилкин Б.П., Зыскин Б.И. Компьютерный анализ струйных течений // Вестник Уральского государственного технического университета: Сыромятниковские чтения. Екатеринбург: УГТУ, 1995. С.65-70.
6. Жилкин Б.П., Сыромятников Н.И. О модели импактной газовой струи // Доклады АН СССР. 1977. Т. 234, №4. С.784-786.
