CC BY
9
Кесарев В.С., Гильфанов К.Х., Гатауллин И.Ф., Махмутов Д.Р.
ВЛИЯНИЕ РАССТОЯНИЯ ОТ ВХОДА ДО МЕСТА РАЗМЕЩЕНИЯ ПАРНОЙ ЛУНКИ НА СТРУКТУРУ ПОТОКА В КАВЕРНАХ С ОСТРОЙ КРОМКОЙ
Рассмотрен режим столбообразного вихря в углублениях. По результатам экспериментов определены структура потока и режимы обтекания в парных углублениях, выполненных в виде сферических сегментов при различной длине отступа от края экспериментальной поверхности. Ключевые слова: парная лунка, интенсификатор, сегментная выемка.
Интенсификация теплоотдачи теплообменных поверхностей с помощью поверхностных интенсификаторов теплообмена за последние 20 лет получила значительное развитие. Поверхностные интенсификаторы теплообмена в виде полусферических (сегментных) выемок широко используются в теплообменном оборудовании. Интерес к такому типу интенсификаторов возрос после появления сообщений о превосходстве роста теплоотдачи относительно повышения гидравлического сопротивления в некотором диапазоне скоростей. Они позволяют значительно повысить эффективность теплообменников. Особенно выгодно использование таких теплообменников в высокоэнергетических установках, например, газотурбинных [1; 2].
При обтекании поверхности с углублением наблюдаются следующие картины течения [3]. При малых скоростях течение носит диффузорно -конфузорный характер. Линии тока, проходящие рядом с углублением, искривляются в сторону углубления. При увеличении скорости потока у входной кромки углубления поток отрывается, образует зону рециркуляции (SZ) и впоследствии присоединяется ко дну углубления (рис. 1а, тип течения N). В данном случае интенсификация теплообмена, вызванная перестройкой профиля скорости в углублении, по сравнению с теплообменом на плоской поверхности не превосходит 20%. При дальнейшем увеличении скорости потока в углублении образуется подковообразный вихрь, концы которого опираются на боковые стенки углубления с двух сторон плоскости симметрии углубления (рис. 1б, тип течения NS). В проекции на плоскость стенки, на которой образовано углубление, видна пара симметричных вихрей. С ростом скорости потока объем вихря увеличивается, он образует некое «гидродинамическое тело», выступающее из углубления.
а б в
Рис. 1. Режимы обтекание поверхности с углублением [3]: а - диффузорно-конфузорный режим (тип течения М; 82 - зона рециркуляции); б - подковообразный вихрь в углублении (тип течения Ж); в - столбообразный вихрь в углублении (тип течения К)
Пограничный слой над углублением периодически сворачивается, отрывается и превращается в дорожку Кармана, при увеличении скорости частота срыва вихрей возрастает. И, наконец, при еще большей скорости подковообразный вихрь «не помещается» в углублении, один из его концов поднимается над углублением и «ищет» возможности зафиксироваться на верхней стенке канала. Верхняя его часть сносится потоком по течению. Положение вихря неустойчиво и его нижний конец может перескакивать с левой части углубления в правую и наоборот (рис. 1в, столбообразный или смерчеобразный вихрь типа течения Я).
Целью настоящей статьи является определение типа вихревой структуры, возникающей в полусферическом углублении на плоской теплообменной поверхности (в дальнейшем - каверна) и изучение влияния расстояния от входа до места размещения парной лунки на структуру потока в кавернах с острой кромкой. Эксперимент проходил на установке, представляющей собой аэродинамическую трубу разомкнутого типа. Рабочим участком служила проточная часть прямоугольного сечения 32x120 мм, в которой установлена модель теплообменной поверхности с полусферическими углублениями диаметром (£=38 мм). Для обеспечения равномерного поля скоростей вход в рабочий участок спрофилирован по Витошинскому. Опытная установка обеспечивала ступенчатое изменение скорости потока в пределах 10-70 м/с при комнатной температуре и числа Рейнольдса по условному диаметру рабочего участка (10-^280)-10 . Задание расхода осуществлялось количеством включенных газодувок (их всего пять) и заслонкой. Для визуализации потока применялась манная крупа, пшено и микробисер (диаметр частиц составляет 0,6-0,8мм, материал - пластмасса ПВХ). Для съемки использованы видеокамера с быстродействием 50 кадров в секунду и обтюратор с частотой пульсаций света 2250 Гц.
Рис. 2. Визуализация обтекания поверхности с каверной, поток слева направо: а - Яе^ЮОООО, отступ 0 мм; б - Яе^=50000, отступ 45мм; в - Яе^=100000, отступ 70мм
Опыты проводились в диапазоне чисел Рейнольдса Red [3] по диаметру каверны (50-И 50)х 10 с отступом от входа 0 мм, 45 мм и 70 мм в режиме существования столбообразного вихря - R. Границей режимов подковообразного и столбообразного вихрей является гипербола вида (1), расположенная в диапазоне7000 <Red < 70000; 0,5 > h/d > 0,1. На рис. 2а, 2б, 2в представлены некоторые результаты визуализации обтекания потоком поверхности с каверной.
При отступе 0 мм над каверной образуется достаточно мощный противоток, направленный навстречу основному течению (рис. 2а). Увеличение расстояния расположения каверны от входа уменьшает энергию столбообразного вихря, который поглощается основным потоком (рис. 2б). Дальнейший отступ приводит к уменьшению мощности вихря ввиду повышения толщины пограничного слоя основного потока (рис. 2в). Результаты, обработанные в виде зависимости максимальной линейной скорости вихря от числа Рейнольдса V=f(Re), показаны на рис. 3. Наблюдается ее рост с повышением числа Рейнольдса.
V, [м/с] ♦ Отступ 0 мм ■ Отступ 45 мм А Отступ 70 мм
Re 000
■ 1 < 1 ►
А j к
< ►
1
800 00 900 00 100 000 110 000 120 000 130 000 140 000 150 000 160
Рис. 3. Зависимость максимальной линейной скорости вихря от числа Рейнольдса
Другие рассчитанные параметры представлены в таблице 1. Поскольку режим Я обладает неустойчивостью положения, обработка данных проводилась также в виде зависимости числа Струхаля (подобия нестационарных течений), характеризующий постоянство протекания процессов во времени от числа Рейнольдса. Это позволило выявить незначительное отклонение данного параметра от обычных потоков. Как известно, в диапазоне 200<Яе<200000 действует эмпирический закон постоянства числа Струхаля: Бг * 0,2 н- 0,3; наши же данные составили Бг = 0,318.
- Re V, [m/s] f, [Hz] h/d Sr
Отступ 0 мм 100000 0,9 7,5 0,5 0,316666667
150000 1,3 10,9 0,5 0,318615385
- 100000 0,45 3,77 0,5 0,318355556
Отступ 45 mm 135000 1,25 9,43 0,5 0,286672
- 150000 1,35 11,31 0,5 0,318355556
- 85000 1,008 8,45 0,5 0,318551587
Отступ 70 mm 135000 1,017 8,52 0,5 0,318348083
- 150000 1,125 9,43 0,5 0,318524444
- 150000 1,1745 9,84 0,5 0,318365262
В качестве выводов можно отметить следующее:
1. Выявлено влияние основных режимных и геометрических параметров на картину течения в сферических углублениях. Определено уменьшение мощности столбообразного вихря при увеличении расстояния места расположения каверны от входа.
2. Установлено незначительное отклонение числа Струхаля при обтекании каверн, которое составило Sr = 0,318 по сравнению с обычными потоками.
Источники
1. Шанин Ю.И., Шанин О.И. Интенсификация теплоотдачи нанесением сферических лунок на стенки каналов / Конвективный тепломасообмен: материалы Минского международного форума ММФ-2004. Минск: ИТМО им. А.В.Лыкова АНБ. 2004.
2. Borisov I., Khalatov A., Kobzar S., Glezer B. Comparison of thermal hydraulic characteristics for two types of dimpled surfaces. ASME Paper. 2004. № GT2004-54204.
3. Коваленко Г.В., Халатов А.А. Границы режимов течения в углублениях на плоской поверхности, имеющих форму сферических сегментов // Прикладна пдромеханжа. 2008. Т. 10. № 1. С. 23-32.
Зарегистрирована 09.09.2011 г
