CC BY
27
УДК 693.5:536.24+532.51
ГНЫРЯ АЛЕКСЕЙ ИГНАТЬЕВИЧ, докт. техн. наук, профессор, korobkov@hotmail.ru
Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2
ТЕРЕХОВ ВИКТОР ИВАНОВИЧ, докт. техн. наук, профессор,
terekhov@itp.nsc.ru
ИТ СО РАН, г. Новосибирск,
КОРОБКОВ СЕРГЕЙ ВИКТОРОВИЧ, канд. техн. наук, доцент, korobkov@hotmail.ru
Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2
РЕЗУЛЬТАТЫ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ТЕЧЕНИЯ ВОЗДУШНОГО ПОТОКА ВДОЛЬ ОДИНОЧНОГО КУБА, УСТАНОВЛЕННОГО НА ПЛОСКОСТИ*
В данной статье приводятся исследования и анализ результатов визуализационных измерений обтекания потоком воздуха одиночного куба, установленного на плоскости. Приведены качественные картины симметричного обтекания куба воздушным потоком при углах атаки ф = 0° и ф = 45°. Целью данной программы было установление взаимосвязи полученных картин омывания куба потоком воздуха с картиной распределения локальных коэффициентов теплоотдачи, полученной при проведении серий экспериментов на аэродинамическом стенде, а также оценка гидродинамической структуры отрывных течений, характера и размеров отрывных зон. Полученные данные позволяют оценить величину тепловых потерь от зданий и сооружений кубической формы.
Ключевые слова: теплообмен зданий и сооружений, визуализация течений, воздушный поток, угол атаки.
GNYRYA, ALEKSEY IGNATYEVICH, Dr. of tech. sc., prof., korobkov@hotmail.ru
Tomsk State University of Architecture and Building,
2 Solyanaya sq., Tomsk, 634003, Russia,
TEREKHOV, VIKTOR IVANOVICH, Dr. of tech. sc, prof., terekhov@itp.nsc.ru
IT Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, Novosibirsk, Russia, KOROBKOV, SERGEY VIKTOROVICH, Cand. of tech. sc., assoc. prof, korobkov@hotmail.ru
Tomsk State University of Architecture and Building,
2 Solyanaya sq., Tomsk, 634003, Russia
* Данная работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 09-08-00523-а «Комплексные экспериментальные исследования аэродинамики и теплообмена моделей зданий и сооружений»).
© А.И. Гныря, В.И. Терехов, С.В. Коробков, 2009
RESULTS OF VISUALIZATION OF AIR STREAM ALONG A SINGLE CUBE LOCATED ON A PLANE
The paper presents the research and the analysis of visual measurements of air stream flow of a single cube located on a plane. Qualitative patterns of symmetric flow of cube by the air stream at angles of attack ф = 0° and ф = 45° are given. The aim of this program was to determine the interrelation between obtained patterns of flow of the cube by air stream and the pattern of distribution of the local heat irradiation coefficient received in making experiments on aerodynamic stand as well to evaluate hydrodynamic structure of detachable streams, character and sizes of detachable zones. The obtained data allow to estimate the value of heat losses from building and structures of cubic form.
Keywords, heat exchange of buildings and structures, visualization of streams, air streaming, angle of attack.
Экспериментальное изучение конвективного теплообмена от плохообтекаемых тел (куб, призма, параллелепипед и др.) является актуальной задачей при оценке тепловых потерь от строительных сооружений. Эта проблема в последнее время приняла особую остроту в связи с ужесточившимися строительными нормами на величину тепловых потерь и, соответственно, необходимостью более точного определения коэффициентов теплоотдачи от наружных поверхностей к окружающему воздуху. Причем знание осредненного по всей поверхности сооружения коэффициента теплообмена не решает полностью задачи, а для более детального анализа требуется определение локальных значений интенсивности теплоотдачи. Дело в том, что вихревые зоны, формирующиеся при обтекании потоком плохообтекаемых тел, приводят к сильной неравномерности поверхностного теплообмена и, соответственно, к перегреву (или переохлаждению) отдельных участков строительных сооружений.
Здания и сооружения имеют различную форму, в том числе форму квадратной призмы и куба, и обтекание трехмерных препятствий является одним из наиболее сложных случаев формирования отрывных течений, не поддающееся в настоящее время достаточно точному численному решению. Особенно остро эта проблема стоит при анализе тепломассопереноса в турбулентном режиме течения, поэтому большое значение при решении данной проблемы имеет место проведения экспериментальных исследований. Отметим также, что постановка данной работы была инициирована необходимостью отработки тепловых режимов при бетонировании сооружений, представляющих собой тела кубической формы.
В литературе имеется достаточно большое число опытных работ, посвященных изучению структуры течения и тепломассообмена плохообтекаемых тел, таких как пластины ограниченных размеров, ориентированных под различными углами к потоку [1], квадратных призм большого удлинения (двумерное поперечное обтекание) [2-4], а также непосредственно и куба [5, 6]. Проведение сопоставления данных этих работ по средней теплоотдаче свидетельствует о значительном (более 100 %) их разбросе. Это осложняет возможность создания надежного метода расчета интенсивности как среднего, так и локального теплообмена.
Для экспериментального исследования коэффициента теплоотдачи моделей, имеющих определенную форму сооружений, был создан специальный
аэродинамический стенд, принципиальная схема которого представлена в работе [7].
Исследованиям теплоотдачи модели куба предшествовала программа визуализационных наблюдений. Были проведены сажемасляная визуализация и визуализация с раствором пятиоксидного ванадия У205. Каждая из них наглядно показывает картину омывания модели потоком воздуха. Главной целью этой программы было установление взаимосвязи полученных картин омывания куба потоком воздуха с картиной распределения локальных коэффициентов теплоотдачи, полученной при проведении серий экспериментов на аэродинамическом стенде, а также оценка гидродинамической структуры отрывных течений, характера и размеров отрывных зон.
Сажемасляная визуализация была проведена на аэродинамической трубе открытого типа, работающей на всасывание. Для этого было изготовлено две испытуемых модели в виде кубов. Исследовалась картина обтекания потоком воздуха одиночного куба, установленного на плоскости при углах атаки воздушного потока ф = 0° и ф = 45°. Опыты были проведены при максимальной скорости воздушного потока и0 = 12 м/с. Все модели изготавливались из органического стекла и устанавливались на подложку, также выполненную из того же материала. Длина грани моделей куба принималась Н = 75 мм (рис. 1).
у*
Рис. 1. Схема обтекания модели куба потоком воздуха
Методика проведения сажемасляной визуализации следующая. Все грани куба, в том числе и верхняя поверхность, а также подложка, на которой устанавливалась модель, покрывались тонким ровным слоем раствора черного цвета, полученного путем смешивания типографской краски и керосина. Затем исследуемая модель помещалась в рабочую камеру аэродинамической трубы. В трубе устанавливался необходимый гидродинамический режим воздушного потока. Эксперимент продолжался до тех пор, пока не появилась четко видимая характерная картина обтекания модели потоком воздуха.
Второе визуализационное исследование проводилось на визуализаци-онном стенде в Институте теплофизики СО РАН в г. Новосибирске. Стенд
представляет собой плоскую конструкцию из органического стекла, в которой имеется рабочий канал длиной 650 мм, высотой 210 мм и толщиной 5 мм (рис. 2).
1-1
Рис. 2. Схема визуализационного стенда
5
1
В качестве испытуемых моделей брались квадратные пластины со стороной 60 мм, которые устанавливались в канале. Было изготовлено 2 модели. Исследовалась картина обтекания потоком жидкости одиночного квадрата при углах атаки ф = 0 и 45°. Скорость потока жидкости изменялась от 0,042 до 0,63 м/с. Им соответствовали числа Рейнольдса - соответственно Яе = 3,4-103-5-104. Оргстеклянный канал, с помещенной в него моделью, освещался поляризованным светом. Раствор У205 в воде является оптически активной жидкостью [8], поэтому он дает наглядное распределение линий тока при обтекании сложных областей в двухмерном поле.
Перейдем к анализу полученных с помощью визуализации картин течения. На рис. 3, а и 3, б показаны качественные картины симметрического обтекания тела кубической формы воздушным потоком при углах атаки ф = 0° и ф = 45°. На рис. 4, а-в представлены визуализационные картины течения раствора пятиоксидного ванадия (У205) вдоль куба при тех же углах атаки.
Рис. 3. Схема обтекания куба потоком воздуха при углах атаки: а - ф = 0°; б - ф = 45°
Омывание модели куба потоком воздуха имеет ряд особенностей. Имеются две общие закономерности структуры отрывного потока, наблюдаемые для этих углов атаки: а) кратное обтекание подковообразных вихрей вокруг куба и б) сводообразный вихрь в области позади куба. Эти общие особенности преобладают для всех углов атаки воздушного потока, так как углы атаки воздушного потока ф = 0° и ф = 45° являются крайними случаями ориентации куба в потоке воздуха. Подобная картина наблюдается и в работе [6].
в
Рис. 4. Картина течения жидкости около куба:
а - ф = 0° (вид сверху); б - ф = 45° (вид сверху); в - ф = 0° (вид сбоку)
Как видно из рис. 3, а и 4, а, в, пограничный слой течения, приближаясь к вертикально установленному кубу на плоской пластине, подвергается трехмерному разделению. Область течения в непосредственной близости от куба характеризуется наличием подковообразного вихря, возникающего на передней грани и простирающегося вдоль боковых граней куба в направлении вниз по течению. Вблизи подковообразного вихря поток имеет неустойчивый ха-
рактер. Величина начального подковообразного вихря примерно такая же, как и толщина пограничного слоя свободного потока.
На боковых гранях наблюдается рециркуляция течения. Эти вихри покрывают значительную часть боковых поверхностей. Явление, наблюдаемое в течение сажемасляной визуализации воздушного потока, заключается в неустойчивом, с периодическими пульсациями течении, возникающем ниже верхних по потоку углов боковых граней, где внутренний подковообразный вихрь имеет значительную кривизну и происходит его поворот. Образование зоны рециркуляции на боковых гранях происходит из-за срыва потока на передней грани и повторного его присоединения с образованием отрывного пузыря. Подобные картины надежно продемонстрированы при изучении структуры потока при продольном обтекании пластины с тупой передней кромкой [9, 10].
В области за кубом образуется сводообразный вихрь. Его отпечатки на подложке в результате визуализации обнаружены в виде двух противоположных вращающихся вихрей. Верхняя грань куба охвачена зоной отрыва, которая начинается около переднего края верхней грани.
Исследование рис. 3, б и 4, б для случая обтекания куба потоком воздуха при угле атаки ф = 45° показало, что помимо общих особенностей течение имеет и ряд отличий. Как видно из рисунка, на верхней грани куба образуются два конусообразных вихря в виде Л-структуры. Они совершают спиральное вращение. Эти вихри своими вершинами наклонены к направлению потока.
В отличие от случая обтекания при угле атаки ф = 0°, поток около боковых граней куба в основном установившийся и движется строго вперед без разделения. Режим потока становится клинообразного типа. Поток, смежный с передними боковыми гранями, движется строго вниз, показывая типичные характеристики присоединяющегося пограничного слоя.
Как при угле атаки воздушного потока ф = 0°, так и при угле атаки ф = 45°, за кубом образуется сводообразный вихрь в виде двух противоположно вращающихся вихрей.
На рис. 5, а-б показаны картины течения потока воздуха вдоль боковых граней при углах атаки соответственно ф = 0° и ф = 45°. При ф = 0° (рис. 5, а) на передней грани в центральной области существует застойная зона высокого давления. В этой области ожидается минимальный теплообмен. Застойное течение ускоряется по радиальным кривым от центра по направлению к внешним углам, что подразумевает увеличение теплообмена от центра к периферии. Ниже центральной зоны наблюдается вихревое течение с высоким теплообменом, что обусловлено образованием подковообразного вихря в нижней части передней грани. Боковые грани находятся в области рециркуляции, где теплообмен увеличивается к задним ребрам граней, находящимся ниже по течению. Очень высокий теплообмен наблюдается в нижней части боковых граней, где течение имеет неустойчивый характер.
Позади куба около задней грани наблюдается сильное влияние сводообразного вихря. В этой области преобладает турбулентное течение, следствием чего является достаточно однородный теплообмен. Здесь также центральная область грани находится в застойной зоне, где теплообмен минимальный, а к внешним углам увеличивается.
Рис. 5. Картины течения потока воздуха вдоль боковых граней куба: а - ф = 0°; б - ф = 45°
При угле атаки ф = 45° (рис. 5, б) течение имеет симметричный характер. На передних гранях линии течения направлены по диагонали от верхнего угла ребра граней А-В и D—A к нижнему углу заднего ребра этих граней. Такое направление линий предполагает, что максимум теплообмена находится у смежного ребра граней А-В и D-A, а минимум - у задних смежных ребер этих граней. На задних гранях преобладает влияние сводообразного вихря. Здесь линии потока направлены от верхнего угла ребра, находящегося выше по течению, к нижнему углу смежного ребра граней B-C и C-D. В этом же направлении предполагается и увеличение теплообмена.
Если объединить результаты сажемасляной визуализации и визуализации с раствором пятиоксидного ванадия V502, отчетливо различаются четыре режима течения:
- отрывное течение является симметрично разделенным относительно продольной оси потока: ф = 0°;
- отрыв является асимметричным: 0° < ф < 15°;
- отрыв сопровождается переприсоединением потока 15° < ф < 40°;
- течение имеет клинообразную структуру: 40° < ф < 45°.
Эти особенности потока, обтекающего куб при различных углах атаки воздушного потока, хорошо согласуются с данными работ [3, 6, 11, 12]. Соответственно, специфика формирования потоков при различных углах проявляется на распределении локальных характеристик теплообмена на различных поверхностях куба при вариации углов атаки и чисел Рейнольдса.
Выводы
Из всего сказанного выше можно сделать вывод, что обтекание куба потоком воздуха имеет ряд особенностей. Наличие пространственных отрывных зон, подковообразных вихрей, формирующихся в области сопряжения куба с плоскостью, будут создавать сильные неравномерности в распределении коэффициентов теплоотдачи как по периметру куба, так и по высоте. Выявление и описание зон с повышенной теплоотдачей является важным элементом прогнозирования теплового состояния строительных сооружений. Поэтому проведение визуализационных измерений является необходимым этапом моделирования тепловых потерь от зданий и сооружений сложной формы.
Библиографический список
1. Спэрроу, Е. Теплообмен в условиях вынужденной конвекции на квадратной пластине, установленной под углами атаки и рыскания / Е. Спэрроу, К. Тьен // Теплопередача. -1977. - № 4. - С. 1-7.
2. Жукаускас, А.А. Теплоотдача прямоугольного стержня в потоке жидкости / А.А. Жукау-скас, А.Н. Лейзерон // Труды АН ЛитССР. Сер. Б. Т. 4 (51). - 1967. - С. 95-109.
3. Igarashi, Т. Local heat transfer from a square prism to an air stream / Т. Igarashi // Int. J. Heat and Mass Transfer. - 1986. - V. 29. - № 5. - P. 777-784.
4. Федоров, В.К. Теплообмен при поперечном обтекании квадратной призмы газовым потоком / В.К. Федоров, Э.М. Литинский, Г.В. Шантырь // Строительная теплофизика. -М. ; Л. : Энергия, 1966. - С. 154-161.
5. Теплообмен при поперечном обтекании квадратной призмы, имеющей гладкую или оребренную поверхность / А.И. Алимпиев, А.С. Арбеньев, А.И. Гныря [и др.] // Изв. СО АН СССР. Сер. техн. наук. - № 13. - Вып. 3. - 1979. - С. 35-39.
6. Natarajan, V. Effect of flow angle-of-attact on the local heat/mass transfer from a Wall -mounted cube / V. Natarajan, V. Chyu // J. of Heat Transfer, Trans. ASME, 1994. - V. 116. -P. 552-560.
7. Гныря, А.И. Результаты визуализации течения воздушного потока вдоль ряда из двух кубов, расположенных на плоскости друг за другом / А.И. Гныря, В.И. Терехов, С.В. Коробков // Вестник ТГАСУ. - 2009. - № 3. - С. 117-124.
8. Бычков, Р.М. Гидродинамика тонких потоков несжимаемой жидкости / Р.М. Бычков. -Кишинев : Штиинца, 1981. - 109 c.
9. Ота. Отрыв и присоединение потока на плоской пластине с затупленной передней кромкой / Ота, Итасака // Теор. основы инж. расчетов. - 1976. - № 2. - C. 321.
10. Castro, I.P. Boundary layer development after a separated region / I. Castro, E. Epik // J. Fluid Mechan. - 1998. - V. 374. - P. 91-116.
11. Castro, I.P. The flow around a surface-mounted cube in uniform and turbulent streams / I.P. Castro, A.G. Robins // J. Fluid Mech. - 1977. - V. 79. - P. 307-335.
12. Ogawa, Y. Field and wind tunnel study of the flow and diffusion around a model cube - II. Nearfield and cube surface flow and concentration patterns / Y. Ogawa, S. Oikawa, K. Uehara // Atmospheric Environment. - 1983. - V. 17. - № 6. - P. 1161-1171.
