CC BY
37
ТЕПЛОВЫЕ РЕЖИМЫ И НАДЕЖНОСТЬ ПРИБОРОВ И СИСТЕМ
УДК 536.2.08
DOI: 10.17586/0021-3454-2015-58-7-565-570
СОВМЕСТНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ PIV-ТЕХНОЛОГИИ И ГРАДИЕНТНОЙ ТЕПЛОМЕТРИИ
А. А. Гусаков
Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, 195251, Санкт-Петербург, Россия E-mail: [email protected]
Рассматривается методика использования PIV-технологии визуализации течения и градиентной теплометрии для совместного (в режиме реального времени) исследования течения и теплообмена. Методика реализована на примере обтекания кругового цилиндра потоком воздуха под различными углами атаки.
Ключевые слова: PIV-технология, градиентная теплометрия, обтекание цилиндра, скорость, тепловой поток, коэффициент теплоотдачи.
Проблема совместного исследования процессов течения и теплообмена жидкостей и газов хорошо известна, но до последнего времени ее решение сдерживалось отсутствием быстродействующих первичных преобразователей. Ситуация изменилась с появлением градиентных датчиков теплового потока (ГДТП) [1] с постоянной времени, составляющей 10 .. .10 с.
В настоящей статье рассматривается методика комплексного исследования этих процессов на примере обтекания кругового цилиндра потоком воздуха под различными углами атаки. Градиентная теплометрия совмещена с PIV-технологией на установке ПОЛИС [2].
Метод PIV (Particle Image Velocimetry) — это измерение скорости потока частиц по их изображению. Основу двумерной реализации метода PIV составляет измерение величины смещения помещенных в поток частиц (трассеров) за известный интервал времени. Результатом является визуализация мгновенных двухкомпонентных полей скорости в измерительной плоскости, формируемой световым ножом. Основное достоинство PIV-технологии — возможность измерения мгновенных полей скорости бесконтактным методом.
При использовании метода стерео-PIV запись изображения производится двумя фотокамерами (1, 2), направленными с разных сторон на трассеры в световом ноже (рис. 1, а). Каждая камера формирует „плоскую картину" о векторе скорости частицы. Посредством специальной калибровки системы программа Actual Flow, поставляемая с установкой ПОЛИС, определяет третью компоненту вектора скорости. В картине трехмерного поля скорости (рис. 1, б) поперечная компонента выделяется цветом [3]: при одинаковых числах Рейнольдса в следе, наблюдаемом за нагретым цилиндром, поперечная составляющая вектора скорости больше, чем в следе за цилиндром без нагрева. В рассматриваемом случае цилиндр повернут относительно вектора скорости потока на угол в = 60°.
Модель цилиндра (рис. 2) выполнена из стального листа толщиной 0,1 мм. Цилиндр обогревается насыщенным водяным паром (с температурой, близкой к 100 °С). ГДТП, изготовленный из монокристаллического висмута, смонтирован на поверхности цилиндра (его
размеры и чувствительность указаны на рисунке). Электромеханический привод позволяет проворачивать цилиндр вокруг оси на угол ф от 0 до 180°. Модель установлена на поворотном столе, что обеспечивает возможность изменения угла атаки в между осью цилиндра и направлением потока.
а)
Световой нож W
Фотокамера 2
Тень
Тень
Рис. 1
Пар (~100°С)
066
ГДТП (4x7x0,2 мм; ¿0=8,4 мВ/Вт)
Конденсат
Рис. 2
Эксперимент по реализации предлагаемой методики производился в аэродинамической трубе при поперечном обтекании нагретого цилиндра потоком воздуха со скоростью от 1 до 20 м/с. Степень турбулентности воздушного потока не превышала 0,5 %. Модель была
Совместное использование Р1У-технологии и градиентной теплометрии
567
помещена в камеру Эйфеля из прозрачного материала, что позволяет использовать оптические методы исследования потоков, в том числе и РГУ-технологию, без заметного рассеяния дыма. Визуализация и теплометрия проводились одновременно и непрерывно. Схема экспериментальной установки представлена на рис. 3. Для измерения сигнала ГДТП использовался светолучевой осциллограф Н-145, в котором ртутная лампа заменена на лазер. Луч лазера после отражения от зеркала гальванометра фиксировался цифровой фотокамерой (3), далее сиг-
Рис. 3
На рис. 3 также показана зависимость плотности теплового потока от времени (^(т)) — „временная теплограмма", названная так в работе [4] по аналогии с общепринятым термином „временная термограмма". Таким образом, каждой картине мгновенного поля скорости соответствует показание ГДТП при известном его положении.
Исследования проводились для области чисел Рейнольдса от 104 до 8-105. За время поворота цилиндра синхронно получено 485 пар фотографий и зафиксированы значения сигналов ГДТП. На основании этих данных сформированы поля скорости и соответствующие им значения плотности локальных (в месте расположения ГДТП) тепловых потоков. На рис. 4 приведены временная теплограмма и соответствующая ей картина поля скорости (при в = 90°, Яе = 2,4104). Разброс значений дф на теплограмме не связан с неопределенностью градиентной теплометрии, а показывает значение плотности локального теплового потока в момент измерения поля скорости. Как показала практика, градуировка ГДТП на стенде, описанном в работе [4], обеспечивает суммарную стандартную неопределенность, не превышающую 1 %.
Наибольший интерес представляют эксперименты, когда цилиндр находится под различными углами атаки в к потоку Ж (в = 45.. .90°) [3], что вызывает трехмерность следа. Среди работ по исследованию влияния угла атаки на интенсивность теплообмена особого внимания заслуживает работа [5], в которой показано, что усредненный тепловой поток плавно убывает до достижения угла в = 15° (здесь начало отсчета — от нормали к вектору потока), а затем начинает расти. Таким образом, изменяя угол атаки, можно как уменьшать, так и увеличивать усредненный тепловой поток.
При усреднении мгновенных полей скорости и изменении угла атаки в от 45 до 90° поперечная составляющая вектора скорости потока (при неизменном числе Рейнольдса, равном 1,2-104) уменьшается до нуля. Это соответствует классическому представлению о поперечной составляющей.
Чш, кВт/м
Ж.
Рис. 4
Результаты градиентной теплометрии показывают, что плотность локального теплового потока изменяется согласно традиционным представлениям, а средняя плотность теплового потока достигает минимального значения при в = 60°.
По результатам экспериментов плотность локального теплового потока в точке с угловой координатой ф определялась как
_ Е Чш_ ^ ,
где Е — напряжение ГДТП, Е — площадь датчика. Локальный коэффициент теплоотдачи
Чш
аш _
ф тц - т
Ж
где Тц — температура поверхности цилиндра, ТЖ — температура потока воздуха. Безразмерное локальное число Нуссельта определяется выражением
Ки ш , ф X
/
где ё — диаметр цилиндра, X/ — теплопроводность воздуха, а среднее число Нуссельта — выражением
аё
№ _■
Х /
где а — значение коэффициента аф, усредненное по ф в пределах от 0 до 180°. Зависимость Ки(Яе) при различных значениях Р представлена на рис. 5. Для уравнения подобия Ки = СЯеп коэффициенты С и п определены экспериментально и сопоставлены с их значениями, полученными в работе [6] (см. таблицу).
Совместное использование PIV-технологии и градиентной теплометрии
569
Полученные зависимости среднего числа Нуссельта от угла атаки в и числа Рейнольдса близки к результатам экспериментов, приведенным в работе [6]. Для всех исследованных значений угла в (45.. .90°) среднее число Нуссельта предсказуемо растет с увеличением числа Рейнольдса.
№ 250 200
150 100
50
0 1 2 3 4 5 6 7 Re
Рис. 5
в, Работа [6] Эксперимент Р, Работа [6] Эксперимент
C n C n C n C n
45 0,161 0,636 0,279 0,609 70 0,270 0,574 0,256 0,586
50 — — 0,117 0,692 75 0,302 0,561 0,347 0,563
55 — — — — 80 0,200 0,614 — —
60 0,172 0,634 — — 85 0,217 0,614 0,214 0,618
65 0,187 0,620 0,239 0,593 90 0,207 0,618 0,317 0,578
Для того чтобы проследить связь между средним числом Нуссельта и структурой потока, необходимо рассмотреть средние поля скорости. В ходе эксперимента установлено, что именно изменение поперечной компоненты Wz вектора скорости в следе за цилиндром определяет изменение средней плотности теплового потока.
Представленные в настоящей статье результаты являются новыми и практически значимыми. Основным выводом можно считать работоспособность предложенной методики, что обеспечивает новые возможности для исследования влияния характера течения на теплообмен в режиме реального времени. Данная методика позволяет получить новые научные результаты при исследовании интенсификации теплообмена с помощью различных турбулиза-торов.
список литературы
1. Сапожников С. З., Митяков В. Ю., Митяков А. В. Основы градиентной теплометрии. СПб: Изд-во Политехи. ун-та, 2012. 203 с.
2. „ПОЛИС" — измеритель полей скорости / Ин-т теплофизики СО РАН, Новосибирск [Электронный ресурс]: <http://www/itp.nsc.ru/piv/piv.htm>.
3. Сапожников С. З., Митяков В. Ю., Митяков А. В., Можайский С. А., Гусаков А. А. Градиентная теплометрия: идеи, реализация, результаты // Тр. Академэнерго. 2014. № 3. С. 16—35.
4. Сапожников С. З., Митяков В. Ю., Митяков А. В. Градиентные датчики теплового потока. СПб: Изд-во СПбГПУ, 2003. 168 с.
5. Alam Mahabub, Zhou Y. Turbulent wake of an inclined cylinder with water running // J. of Fluid Mechanics. 2007. Vol. 589. P. 261—301.
T-1-1-1-1-1-1—'-'-1-Г'-'-"-|ТГ.ТГПТТТТ1ГМТ..Ч^
6. Sparrow E. M., Yanez Moreno A. A. Effect of yaw on forced convection heat transfer from a circular cylinder // Intern. Journal of Heat and Mass Transfer. 1987. Vol. 30, N 3. P. 427—435.
Сведения об авторе
Андрей Александрович Гусаков — СПбПУ, кафедра теоретических основ теплотехники; заведующий
лабораторией; E-mail: [email protected]
Рекомендована кафедрой Поступила в редакцию
теоретических основ теплотехники 17.03.15 г.
Ссылка для цитирования: Гусаков А. А. Совместное использование PIV-технологии и градиентной тепломет-рии // Изв. вузов. Приборостроение. 2015. Т. 58, № 7. С. 565—570.
COMBINED APPLICATION OF PIV-TECHNOLOGY AND GRADIENT HEAT FLUX MEASUREMENT
A. A. Gusakov
Peter the Great Saint Petersburg Polytechnic University, 195251, Saint Petersburg, Russia E-mail: [email protected]
A new method for investigation of flow and heat transfer is proposed. The method combines PIV-technology with gradient heat flux measurement. The method implementation is demonstrated by the example of study of heat transfer and air flow around a cylinder for various values of angle of attack.
Keywords: PIV-technology, gradient heat flux measurement, transverse flow around a cylinder, heat flux, heat-transfer coefficient.
Data on author
Andrey A. Gusakov — SPbPU, Department of Thermodynamics and Heat Transfer; Head of Laboratory; E-mail: [email protected]
Reference for citation: Gusakov A. A. Combined application of PIV-technology and gradient heat flux measurement // Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedeniy. Priborostroenie. 2015. Vol. 58, N 7. P. 565—570 (in Russian).
DOI: 10.17586/0021-3454-2015-58-7-565-570
