Гидравлическое сопротивление дискретно-шероховатого канала при наложенных пульсациях потока тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

На правах рукописи

Колчин Сергей Александрович

ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ДИСКРЕТНО-ШЕРОХОВАТОГО КАНАЛА ПРИ НАЛОЖЕННЫХ ПУЛЬСАЦИЯХ ПОТОКА

Специальность: 01.02.05 - Механика жидкости,газа и плазмы 01.04.14 — Теплофизика и теоретическая теплотехника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005570176

Казань 2015

005570176

Работа выполнена в лаборатории гидродинамики и теплообмена Исследовательского центра проблем энергетики КазНЦ РАН и на кафедре «Реактивные двигатели и энергетические установки» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева» (КНИТУ - КАИ).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Михеев Николай Иванович

Официальные оппоненты: ЛаРИ0Н0В Викт0Р Михайлович

доктор технических наук, доцент, Федеральное

государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Казанский (Приволжский) федеральный университет», Институт физики, кафедра «Технической физики и энергетики», профессор

Фафурин Виктор Андреевич

доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно - исследовательский институт расходометрии», первый заместитель директора по научной работе

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кута-теладзе Сибирского отделения Российской академии наук

Защита диссертации состоится «14» октября 2015 г. в 10:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.079.02 при ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ» по адресу: 420111, г. Казань, ул. К. Маркса, 10.

С диссертационной работой можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ» и на сайте www.kai.ru.

Автореферат разослан « ЛГ » ///¿9//^_2015 г.

Ученый секретарь ^-р-*-

диссертационного совета, ' / а.Г. Каримова к.т.н., доцент

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Нестационарные процессы являются неотъемлемой частью работы различных технических устройств при запуске и останове, на переходных режимах. Часто в трактах установок возникают пульсирующие потоки. Источниками пульсаций могут являться как периодическое изменение конфигурации элементов тракта, например, при работе лопаточных и поршневых машин, механизмов систем управления и регулирования, так и турбулентность потока. В ряде случаев нестационарные режимы создаются преднамеренно, например, с целью интенсификации теплоотдачи.

В настоящее время нестационарные течения активно изучаются. Обнаружено, что наложенные пульсации способствуют интенсификации теплоотдачи в дискретно-шероховатом канале (ДШК). Данный факт открывает возможность использования подобных течений для повышения энергетической эффективности теплообменных аппаратов. Но вопрос о теплогидравлической эффективности данного метода остается открытым, т.к. мало данных о гидравлическом сопротивлении ДШК при пульсирующих течениях.

Цель работы: повышение достоверности прогнозирования теплогидравли-ческих характеристик теплообменных аппаратов и систем охлаждения с ДШК в условиях гидродинамической нестационарности потока.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- разработать методику экспериментального определения гидравлического сопротивления ДШК при наложенной нестационарности потока;

- получить и обобщить экспериментальные данные по гидравлическому сопротивлению ДШК при пульсирующем течении рабочего тела в широком диапазоне чисел Рейнольдса, частот и амплитуд вынужденных колебаний расхода теплоносителя;

- поиск и апробация метода возбуждения колебаний потока в теплообменнике за счет энергии самого теплоносителя.

Научная новизна и основные положения, выносимые на защиту:

-разработана методика экспериментального определения гидравлического сопротивления ДШК при наложенных пульсациях расхода, учитывающая волновую структуру колебаний потока в канале;

- в широком диапазоне чисел динамического подобия пульсирующих потоков получены экспериментальные данные и выявлены закономерности изменения гидравлического сопротивления ДШК;

- определена область чисел динамического подобия БЬ (относительная частота) и Р (относительная амплитуда пульсаций скорости), в которой вынужденные колебания потока приводят к повышению теплогидравлической эффективности теплообменных аппаратов с ДШК по отношению к стационарному режиму в дискретно-шероховатом и гладком каналах;

- предложен и апробирован модельный теплообменный аппарат с ДШК, в котором реализуется нестационарный эффект интенсификации теплоотдачи. Пульсации скорости потока в каналах теплообменника создаются за счет энергии самого потока, а безразмерная частота пульсаций БЬ остается постоянной в широком диапазоне расходов рабочего тела.

Практическая ценность. Полученные в работе результаты позволяют повысить достоверность прогнозирования теплогидравлических характеристик теплообменников и систем охлаждения с ДШК на нестационарных режимах течения

рабочего тела. Результаты работы открывают новые возможности повышения эффективности теплообменного оборудования и систем охлаждения для энергетики, машиностроения, химической и пищевой промышленности и т.д. с использованием нестационарных эффектов интенсификации теплообмена в ДШК, а также повысить точность прогнозирования работы различных аппаратов в аварийных ситуациях, связанных с возбуждением автоколебаний потока.

Основные результаты работы являются составной частью исследований по грантам РФФИ (13-08-00504, 14-01-31067), по контрактам с Минобрнауки (16.518.11.7015, 02.740.11.0071) и проекту 0217-2014-0001 ФАНО в рамках государственного задания.

Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечивается использованием апробированных методов и аттестованных средств измерения параметров потока, оценкой погрешности измерений, удовлетворительным согласованием результатов тестовых экспериментов с данными других авторов, согласованием данных, полученных при различных параметрах потока, при их обобщении в безразмерном виде и числах подобия.

Личный вклад автора. Автором разработана оригинальная экспериментальная установка, позволяющая исследовать гидравлическое сопротивление ДШК в условиях гидродинамической нестационарности потока в широком диапазоне параметров нестационарности, а также геометрии шероховатости канала, проведены все эксперименты, обработаны и обобщены результаты исследований, выполнена оценка теплогидравлической эффективности интенсификации теплообмена в ДШК при вынужденных пульсациях потока, предложен и реализован в экспериментальной модели теплообменный аппарат с ДШК, в котором реализуется нестационарный эффект интенсификации теплоотдачи. Анализ полученных результатов исследований выполнен под руководством профессора Н.И. Михеева.

Апробация работы. Полученные основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на итоговых научных конференциях КазНЦ РАН (2011 -2014 гг.), на VII и IX Международной молодежной научной конференции «Тин-чуринские чтения» (Казань, 2012-2014 гг.), Всероссийской школе-семинаре молодых ученых и специалистов академика РАН В.Е. Алемасова «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении» (Казань, 2012-2014 гг.), Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» (Орехово-Зуево, 2013 г.), Шестой Российской национальной конференции по теплообмену (РНКТ-6) (Москва 2014 г.), Всероссийской конференции «XXXI Сибирский теплофизический семинар» (Новосибирск 17-19 ноября 2014 г.), аспирантских семинарах ИЦПЭ КазНЦ РАН (2011 - 2014 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ. Две работы опубликованы в рекомендуемых ВАК журналах.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использованных источников, насчитывающего 116 наименований. Объем диссертации составляет 126 страниц машинописного текста, включая 54 рисунка, одну таблицу.

Содержание работы

Во введении в краткой форме обоснована актуальность выбранной темы, сформулированы цель и основные задачи исследования, отмечены научная новиз-

на, практическая значимость диссертационной работы, перечень решенных в диссертации и выносимых на защиту задач и положений.

В первой главе приведен анализ имеющихся в литературе исследований по тематике работы. Дан краткий обзор методов оценки эффективности интенсификации теплообмена в каналах. По вопросу влияния геометрических параметров дискретной шероховатости на структуру течения и гидравлическое сопротивление канала имеется обширная литература (Г.А. Дрейцер, Э.К. Калинин, В.В. Олимпиев, Ю.Г. Назмеев, Ю.Ф. Гортышов, И.А. Попов, В.И. Терехов, Н.И. Ярыгина, А.Е. Берглс, Р. Уебб, Дж. Никурадзе и др.). Установлено, что энергетически более выгодной является пристенная интенсификация теплообмена, которая заключается в целенаправленном воздействии на область течения теплоносителя вблизи обтекаемой поверхности с целью турбулизации или обновления пристеночного слоя, в котором сосредоточено основное термическое сопротивление. Прирост гидравлического сопротивления в случае пристенной интенсификации оказывается существенно ниже, чем при воздействии на весь поток в целом (закрутка спиральными ребрами или шнековыми вставками, оребрение поверхности, использование специальных завихрителей, добавление в газообразный теплоноситель твердых частиц и в жидкий - газовых пузырьков и т. п.). В качестве турбулизаторов чаще всего используются поперечные выступы с различной формой сечения (прямоугольной, треугольной, сферической, каплеобразной и т.п.). Отмечается, что перспективным способом повышения энергоэффективности теплообменников и систем охлаждения с пристенной интенсификацией теплоотдачи является использование вынужденных колебаний потока. Экспериментального материала по этому способу пока крайне мало. Имеющиеся результаты исследования турбулентных пульсирующих течений относятся, главным образом, к кинематической структуре потока и теплообмену в гладких каналах (В.И. Букреев, В.М. Шахин, H.H. Ковальногов, A.B. Фафурин, Б.М. Галицейский, Ю.А. Рыжов, Е.В. Якуш, Т. Mizushina, Т. Maruyama, Н. Hirasawa, M.Y. Gündogdu, M.Ö. Carpinlioglu и др.).

Приводится обзор работ Н.И. Михеева, В.М. Молочникова, И.А. Давлетшина, где показана перспективность интенсификации теплообмена за счет пульсаций потока. Обнаружен эффект резкого (до двух раз) сокращения длины отрывной области за единичным препятствием по сравнению со стационарным течением. Установлена высокая чувствительность теплоотдачи в отрывной области к наложенным пульсациям потока. Показано, что средний коэффициент теплоотдачи в отрывной области может увеличиваться до 60 %, а в ближнем следе за препятствием - пятикратно по сравнению со стационарным режимом. В описанных работах пульсации расхода создаются дополнительным устройством (пульсатором), имеющим электрический привод. Кроме того, в этих работах изучались гидродинамические и тепловые процессы не в ДШК, а лишь при обтекании одиночных препятствий на стенке.

Экспериментальному изучению теплоотдачи ДШК в условиях пульсирующего потока посвящена работа Ярошинского. Однако в ней изучался теплообмен лишь при низких частотах пульсаций /= 0,2 - 5 Гц (число Струхаля Sh не оценивалось). Оказалось, что низкочастотные пульсации несколько снижают теплоотдачу и в гладком канале, и в ДШК, по сравнению со стационарным режимом. Используя приведенные данные в работе (число Рейнольдса Re, геометрические параметры рабочего участка), был определен диапазон изменения числа Струхаля Sh = 0 - 0,1. При расчете Sh за характерный размер принята длина отрывной об-

ласти за выступом (0,02 м) при стационарном течении. Такой подход в выборе характерного размера при оценке Sh был принят во всей диссертационной работе.

Отмечается, что при течении теплоносителя с вынужденными колебаниями расхода в канале образуются стоячие волны, из-за чего существенно изменяется осредненный квадрат скорости потока по длине канала. Данный факт осложняет оценку гидравлического сопротивления при подобных течениях. В настоящее время нет отработанных методик экспериментального определения гидравлических потерь каналов при вынужденных колебаниях потока.

Во второй главе приведено описание разработанных автором экспериментальных установок для исследования гидравлического сопротивления ДШК при наложенной нестационарности потока, описан модельный теплообменник со встроенным пульсатором, представлены данные о рабочих участках, экспериментальном оборудовании и средствах измерения, методике проведения исследований, выполнена оценка погрешности измерений физических величин, представлены результаты тестовых экспериментов.

Схема экспериментальной установки для исследования гидравлического сопротивления ДШК при наложенных пульсациях потока показана на рисунке 1. Рабочий участок 1 представлял собой круглую трубу с дискретной шероховатостью в форме полукруглых кольцевых выступов. В методических и тестовых экспериментах использовался и гладкий канал. К выходному фланцу рабочего участка крепился пульсатор 2. За пульсатором устанавливался ресивер 3, в котором сглаживались колебания перед расходомером «ИРВИС-РС4-Ультра» 4, который служил для контроля среднего расхода воздуха, прокачиваемого напорным вентилятором 5. Перепад статического давления измерялся прибором «ПРОМА-ИДМ» 7. Амплитуда пульсаций скорости оценивалась термоанемометром «ИРВИС ТА-5.1» с установкой датчика 6 на оси канала. Сбор опытных данных осуществлялся при помощи автоматизированной системы, включающей компьютер 9 с необходимым программным обеспечением и аналогово - цифровой преобразователь (АЦП) 8 модели «L - CARD - 791».

Рабочий участок (рисунок 2), собранный из набора втулок 1 и колец 2, своим фланцем 3 герметично крепился к пульсатору 4. Пульсатор включал два расходных узла: статический и динамический. Регулирование средней скорости и потока в рабочем участке осуществлялось при помощи изменения площади проходного сечения статического узла за счет изменения ширины окна в направлении, перпендикулярном плоскости рисунка 2. Пульсации потока создавались периодическим изменением проходного сечения динамического узла вращающейся заслонкой, которая устанавливалась на валу электродвигателя. Варьирование амплитудой Аи пульсаций скорости в динамическом узле осуществлялось при помощи изменения площади проходного сечения, так же путем изменения ширины окна. Электронный блок цифрового управления приводом вращающейся заслонки пульсатора обеспечивал стабильное воспроизведение режимов по частоте пульса-

9

3 4 5

Рисунок 1 - Схема экспериментальной установки

ций. В качестве рабочего тела использовался воздух, забираемый из окружающей среды.

Д

¡л.

Л ✓ т УС х> i i

t /

и,ule

0,04

0,06

0,08 0,10 Т,С

Рисунок 3 - Осциллограмма скорости потока на оси канала на режиме и =2,91 м/с,/= 127 Гц

динамический 'статический

расходный узел расходный узел

Рисунок 2 - Рабочий участок Скорость потока изменялась по близкому к гармоническому закону и = и (1 + ß Sin (2 7t/T+cp)). (1)

Из-за отличия закона изменения скорости потока от гармонического безразмерная амплитуда пульсаций потока ß оценивалась как

Pill шах U min )

= +-.у (2)

шах т U min )

где Umax и «min - усредненное ПО множеству периодов пульсаций максимальное и минимальное значение скорости потока. Измерение мгновенной скорости потока выполнялось с помощью термоанемометра во входном сечении канала на оси трубы. Характерная осциллограмма скорости потока приведена на рисунке 3. Перед оценкой ß проводилась фильтрация данных, которая исключала высокочастотные турбулентные пульсации.

При подсчете безразмерной частоты пульсаций Sh, в качестве характерного размера использовано расстояние от выступа до средней точки присоединения потока за выступом в стационарных условиях. Для выступов с геометрией, представленной на рисунке 2, это расстояние составляет 10 высот выступа, т.е. 0,055 м. Число Рейнольдса подсчитывалось по диаметру D канала.

В нестационарном потоке определялся относительный коэффициент гидравлического сопротивления^ ДШК \ = Щст, где k - коэффициент гидравлического сопротивления ДШК на пульсирующем режиме; - коэффициент гидравлического сопротивления ДШК на стационарном режиме, при том же среднем расходе (числе Рейнольдса).

Для реализации нестационарных эффектов интенсификации теплообмена предложен модельный теплообменник со встроенным пульсатором, показанный на рисунке 4. В аппарате пульсации расхода создаются за счет энергии самого потока. В трубчатом теплообменнике одна из труб 4 выполнена дискретно-шероховатой, остальные четыре трубы б- гладкими. Это позволило получить сравнительные данные по теплообмену гладкой и шероховатой труб при прочих равных условиях. На входе в теплообменник поток теплоносителя проходил через гидротурбину (крыльчатку) 2, приводящую во вращение плоскую фигурную заслонку 1, пять

лопастей которой периодически перекрывали поток теплоносителя во входном сечении 3 труб. Можно ожидать, что при таком способе возбуждения колебаний потока частота пульсаций пропорциональна расходу теплоносителя, что позволит в широком диапазоне расходов работать при оптимальной относительной частоте пульсаций потока.

В качестве рабочего тела использовался воздух, который поступал из атмосферы. На экспериментальном стенде теплообменник устанавливался вертикально, выходным патрубком при помощи муфты герметично стыковался с ресивером объемом 2 м3, из которого воздух откачивался высоконапорным вентилятором. Регулирование среднего расхода теплоносителя осуществлялось путем изменения ------------разряжения на выходе теплообменника.

// Гладкий канал б был из-

/ ■-- готовлен из тонкостенной

1 V. Г) __ 7 1 2 & 5 трубы. Все детали теплооб-

'Р '- ' менника были изготовлены из

Л/' низкоуглеродистой стали,

о - % Для обеспечения равенства

V ОейЯ?' I \ расходов теплоносителя через

<й§ СнЛ^З^2^^ \ 4 V"7 все каналы на выходе каждо-

/ / ' ..........'..... Щ го из них были установлены

I .........расходные шайбы 5 одинако-

"" " вого диаметра йш = 30 мм.

1 , * _ ' .. ДШК 4 выполнен из набора

' втулок и колец, которые при

плотной стяжке с помощью периферийных шпилек образуют рельефную внутреннюю поверхность теплообмена (рисунок 5). Втулки изготавливались из такой же трубы, что и гладкий канал.

При проведении экспериментов на каналы с наружной стороны устанавливалась тепловая изоляция (на рисунке не показана) из слоя изо-

лона для исключения заметного влияния теплоотдачи по

1—1 —> наружным поверхностям на

Рисунок 5 - Дискретно-шероховатый канал температурное состояние

стенки. Процесс теплообмена обеспечивался предварительным нагревом стенок рабочих участков на 30 - 50°С проточным подогревателем воздуха.

Температура стенки каждого рабочего участка измерялась хромель-копелевыми термопарами, установленными на наружной поверхности каналов рабочих участков. В ДШК было установлено три, в гладком канале четыре термопары. Опрос сигналов термопар проводился с помощью АЦП с частотой дискретизации 200 Гц в течение 45 с.

Рисунок 4 - Модельный теплообменник

Локальный коэффициент теплоотдачи а, Вт/(м2 К), оценивался на основе результатов измерения динамики охлаждения предварительно нагретой стенки методом регулярного режима по формуле 1п(§) V,

(3)

с р , ' Ах Р1 '

где в = 6, у /0( 0;

9, , 0, о - температура и избыточная температура в области термопары г в момент времени х,-или начальный момент хо, К; 7}- температура воздуха в сечении установки термопары, К; Ах -время измерения, с; с — удельная теплоемкость стали при средней температуре, Дж/(кг К)- р -плотность стали, кг/м , Р)-объем участка стенки канала, м3;

- смачиваемая поверхность теплообмена участка канала с уче-

_ 1 е

0,9

1 S

10 15 20 25 30 35 40

45

х,с

Рисунок 6 - Темп охлаждения стенки каналов Гладкий канал: ^-170 мм от входа, Д -220 мм, < -265 мм, > -320 мм

ДШК: ■- 150 мм от входа, •- 245 мм, А - 345 мм

том выступов, м*. Под участком понимается одна секция ДШК в окрестности термопары. Изменение относительной температуры стенок 0 рабочих участков по времени х в одном из опытов на стационарном режиме при общем объемном расходе через теплообменник 196 м3/ч приведено на рисунке 6.

Значение относительной амплитуды пульсаций скорости определялось по результатам термоанемометрических измерений на расстоянии 0,45 м от входа в рабочий участок на оси канала (рисунок 7). Различные значения максимумов и минимумов скорости объясняются непостоянством зазора между плоскостью с входными отверстиями рабочих участков и плоскостью вращающейся заслонки.

При подсчете числа Нуссельта в качестве характерного размера принят диаметр гладкого канала. Относительное число Нуссельта Nu в ДШК вычислялось по формуле Nu = Nu/Nucm, где Nu и NuCT„ - число Нуссельта в ДШК на пульсирующем и на стационарном режимах.

В третьей главе описана методика определения коэффициента гидравлического сопротивления канала при пульсирующем течении.

Известно, что вынужденные колебания потока в канале приводят к появлению в нем стоячих волн. В таких условиях для оценки коэффициента гидравлического сопротивления нельзя ориентироваться только на перепад статического давления Ар, как принято в стационарных условиях. Уравнение сохранения импульса между двумя сечениями 1 и 2 при пульсирующем режиме течения в канале постоянного сечения можно представить в виде

Рисунок 7 - Осциллограмма скорости потока на оси канала на режиме и = 5 м/с, частота /= 126 Гц

где и,

(и2)

Рисунок 8 - Зависимость относительной амплитуды пульсаций скорости р на входе в рабочий участок от частоты наложенных пульсаций/

■средние значения (по площади поперечного сечения и времени) скорости и квадрата скорости потока в рассматриваемом сечении рабочего участка (для ДШК подсчитанные без учета уменьшения площади проходного сечения из-за выступов); ДХ - расстояние между измерительными сечениями.

В таком случае коэффициент гидравлического сопротивления в условиях нестационарности потока можно определить как

(5)

t=U+P("l2))-U+P("22)) ALp(üJ/(2D)

При развитом стационарном течении в канале постоянного сечения принимают ри2 =ри\ . Оценим последствия такого допущения в пульсирующем потоке. Для этого были выполнены эксперименты в гладкой трубе длинной L = 6 м диаметром D = 0,105 м. В этой серии эксперименты выполнялись при фиксированном положении штуцеров отбора давления, фиксированном положении органов управления пульсатором и постоянном разрежении за ним. Расстояние между штуцерами составляло 2 м, причем первый по потоку штуцер располагался на расстоянии 3,5 м от входа в рабочий участок. Частота пульсаций потока варьировалась в диапазоне/= 7-190 Гц. Относительная амплитуда пульсаций скорости р измерялась термоанемометрическим датчиком на входе в рабочий участок и в сечениях, где были установлены штуцеры отбора давления. Зависимость р на входе в канал от частоты наложенных пульсаций/показана на рисунке 8. Полученная из экспериментов зависимость Р от/имеет четко выраженный периодический характер с максимумами при резонансных частотах

f и ■

(6)

где с — скорость звука, м/с; г - 3, 5, 7... .

На основании полученных опытных данных по Ар и и построена зависимость коэффициента гидравлического сопротивления \ от частоты наложенных пульсаций (рисунок 9, символ •).

Из рисунка 9 видно, что при допущении ри2=ри1 изменение с, по частоте пульсаций является нефизичным, а при определенных частотах вынужденных колебаний ^ имеет даже_отрицательные значения. Такое влияние частоты на оценку

£ при допущении рм,2 =ры22 связано со стоячими волнами в канале, следствием которых является изменение члена ри2 по длине канала. При достаточно высокой амплитуде пульсаций скорости потока на некотором участке течения (например,

20 40 60 80

100 120 140 160 180 200

/Гц

вблизи пучности скорости) статическое давление может быть меньшим, чем в расположенной ниже по течению области, где пульсации давления существенно выше (вблизи узла скорости). Эта ситуация и может привести к нарастанию среднего значения статического давления в направлении потока. Опытные данные по относительной амплитуде пульсаций скорости р в сечениях, где были установлены штуцеры отбора давления, показаны на рисунке 10. Из рисунка видно, что при определенных частотах

штуцеры находятся в различных фазах стоячей волны. Например, при частоте /= 46 Гц первое измерительное сечение располагается вблизи пучности скорости,

второе - вблизи узла. Такому расположению сечений соответствует ри^>ри^ .

Этим и объясняются отрицательные значения оценки Е, при допущении рм,2 =ри\ (рисунок 9, символ •).

С целью исключения влияния волновой структуры течения на оценку гидравлического сопротивления в данной работе были рассмотрены четыре различных подхода к измерению гидравлического сопротивления в каналах при наложенной нестационарности потока. Более подробно все подходы описаны в диссертации, здесь представлены только два, в которых получены наилучшие результаты.

Первый подход заключался в

Рисунок 9 - Зависимость коэффициента гидравлического сопротивления от частоты наложенных пульсаций /

• - данные при допущении ри* = ри2 ;

о - данные с поправкой (7) на волновую структуру по результатам измерений амплитуды пульсаций скорости в измерительных сечениях на оси канала;

А- данные при расположении измерительных сечений в одинаковых фазах волн.

учете члена ри в каждом измеряемом сечении. По измеренным значениям Р в сечениях, где установлены штуцеры отбора давления (рису-

80 100 120 140 160 180 200 /Гц

Рисунок 10 - Зависимость относительной амплитуды пульсаций скорости р на оси канала от частоты наложенных пульсаций / в сечениях установки штуцеров отбора давления • - сечение 1; о - сечение 2.

нок 10) и перепада статического давления Ар рассчитывалось значение £ при вынужденных колебаниях потока

5 = -

Ар + р{и)(к, -кг)

(7)

Д1рУ7(2 />)

где к= (и,2 )/(«)* - коэффициент, характеризующий отношение среднего квадрата скорости (ы,2) к квадрату средней скорости (й}.

Связь коэффициента к с относительной амплитудой колебаний скорости (3 при гармонических пульсациях за период Рисунок 11 - Зависимость отношения среднего квадра- ^ определяется соотношением

та скорости (и2) к квадрату средней скорости (и)2 от __ 1 + В8т(2я/тУ)2А (8)

относительной амплитуды наложенных пульсаций ско- X •

посгиВ

Полученная из (8) зависимость среднего за период Готношения (и,2)/(и)2 от р показана на рисунке 11.

Экспериментальные данные с поправкой (7) показаны на рисунке 9 (символ о). Из рисунка видно, что значения полученные с учетом поправки на волновую структуру течения, приближаются к величине £ при стационарном течении. Анализируя данные рисунка 9, можно сделать вывод, что предложенная методика не позволяет полностью исключить влияние стоячих волн на Влияние волновой структуры остается, особенно на резонансных режимах. Это связано с

тем, что при оценке рм2 не измерялся весь профиль скорости и измеренное на оси канала значение Р распространялось на все сечение.

Лучшим является подход, в котором измерительные сечения располагались в однотипных условиях колебаний потока. На рисунке 12 показаны примеры выбора измерительных сечений. Схематично изображен канал,у которого входное сечение А открыто, а в сечении Б располагается пульсатор. При такой схеме в сечении А всегда реализуется пучность колебаний скорости потока. При частотах выше первой резонансной моды необходимо располагать измерительные сечения в одинаковых фазах волны (рисунок 12, а) или в сечениях с равной амплитудой пульсаций скорости (рисунок

и. м/с

штуиер отбора давления

канзп

штуцер отбора давления

и. м/с

и, м/с

штуцер отбора давления

К..........

_ -

Рисунок 12- Схема расположения мест установки штуцеров для отбора давления

12, б). При низких частотах наложенных пульсаций, когда длина звуковой волны много больше длины канала (X»L), волновой структурой можно пренебречь (рисунок 12, в). Наиболее предпочтительным является расположение измерительных сечений 1 и 2 в узлах скорости, где разница между (и2) и (и) минимальна.

Экспериментальные данные (рисунок 9, символ Ж) по гидравлическому сопротивлению, полученные с учетом выбора измерительных сечений относительно фазы стоячей волны, оказались близкими к стационарным значениям. Это согласуется с известными экспериментальными данными о малом влиянии пульсирующего течения на гидравлическое сопротивление в гладкой трубе.

В четвертой главе представлены результаты экспериментального исследования гидравлического сопротивления ДШК при наложенных пульсациях потока. Проведена оценка теплогидравлической эффективности интенсификации теплообмена в ДШК при наложенной нестационарности потока.

Эксперименты проводились в диапазоне: чисел Рейнольдса Re=l 1000-41000, относительной частоты Sh = 0,01-3, относительной амплитуды наложенных пульсаций скорости ß = Аи/и = 0,2 - 0,7.

В третьей главе было показано, что при наложенных пульсациях потока в гладком канале может реализовываться несколько пучностей скорости, в которых максимальные значения относительной амплитуды наложенных пульсаций ß не одинаковы (рисунки 8, 10). С целью проверки влияния этого фактора в ДШК при t/D = 1 были проведены эксперименты, в которых амплитуда наложенных пульсаций измерялась в различных сечениях рабочего участка, где находились пучности скорости. Результаты опытов для частоты наложенных на входе в раоочии участок; пульсаций /= 100 Гц при фиксирован- 0 -на расстоянии 2610 мм от входа (в пучно-ном положении заслонки стационарного ста скорости).

расходного узла пульсатора X¡ = 30 мм (заслонка открыта на 30 мм) и варьировании положения заслонки динамического расходного узла Х2 показаны на рисунке

13. Из рисунка видно, что значения ß в пучностях скорости на различном расстоянии от входа в трубу слабо отличаются друг от друга. При этом стоит подчеркнуть, что между пучностями скорости амплитуда пульсаций скорости потока изменяется по закону, характерному для стоячих волн.

Результаты экспериментов с наложенными пульсациями потока в зависимости от чисел динамического подобия нестационарности потока при t/D = 1 и 2,3 представлены на рисунке 14. Значками показаны экспериментальные значения

^ст > сгруппированные в относительно узком диапазоне относительных амплитуд пульсаций. Именно неодинаковыми значениями ß в значительной степени обусловлен разброс данных в пределах группы. Как видно из рисунка, прирост сопротивления имеет выраженный максимум в окрестности Sh = 0,6 с быстрым снижением в обе стороны от экстремума. Данные с относительным среднеквадратичным отклонением 7 % обобщены зависимостью

20 25 30 35 40 45 50

х2

Рисунок 13 - Зависимость р от положения заслонки динамического расходного узла пульсатора Хг

^ст= 1 + 0,Эф'-75+1,90 е

-1,5|1п(5Ь/0,6)|

2,0

1,5

1,0

к □ р= 0,2-0,3 П О р= 0,3-0,4 /# 1

• Р= 0,5-0,6 /Т л ■ 0= 0,6-0,7 //$КЛ т\ .....Р= 0,25 — Э=0.35 Л'//ЩЛ

-^Я™*?"'_____________

® ®

0,1

ЭИ

Рисунок 14 - Зависимость относительного коэффициента гидравлического сопротивления от безразмерной частоты ЭЬ и амплитуды р

гв-

Iя)

Рисунок 15 - Структура пульсирующего потока за диафрагмой

1 - квазистационарный режим;

2 - низкочастотный режим;

3 - резонансный режим;

4 - высокочастотный режим.

(9)

Рассчитанные по этой зависимости значения при пяти значениях |3 показаны линиями на рисунке 14. Отметим, что предложенная аппроксимация данных дает «острый» экстремум, тогда как в экспериментах он скруглен, но отклонение находится в пределах случайных отклонений данных.

Повышение гидравлического сопротивления при пульсациях потока отчасти связано с нелинейной (почти квадратичной) зависимостью скоростного напора и потерь давления от скорости потока, из-за которой средний скоростной напор при пульсациях потока выше скоростного напора при средней скорости. Эту прибавку сопротивления учитывает член 0,3 ЦЗ1,75, полученный на основе теоретического анализа связи потерь давления со скоростью потока при квазистационарном (¿Ъ стремится к нулю) режиме пульсаций потока в канале для турбулентного течения.

Характер изменения Щст по относительной частоте БЬ согласуется с данными о структуре обтекания препятствий пульсирующим потоком, представленными на рисунке 15 из статьи (Дав-летшин И. А., Михеев Н.И. Структура течения и теплообмен при отрыве пульсирующего потока //Теплофизика высоких

температур. 2012. №3. С.442-449). Резкое увеличение (рисунок 14) в окрестности 811 = 0,6 соответствует резонансному режиму по классификации упомянутой статьи. На этом режиме образуются интенсивные разгонные вихри, которые регулярно выносятся в основной поток, следствием чего является увеличение разрежения за выступом. Именно увеличение разрежения за выступом приводит к росту профильного сопротивления выступа, что объясняет повышение относительного коэффициента гидравлического сопротивления в окрестности БЬ = 0,6.

На основании полученных данных по гидравлическому сопротивлению ДШК при вынужденных колебаниях потока и представленных на рисунке 16 данных работы (Михеев Н.И., Дав-летшин И.А., Кирилин А.К. Эффект дополнительной интенсификации теплообмена при обтекании дискретно-шероховатой стенки пульсирующим потоком // Современная наука. Киев: НПВК Триакон, 2012. Вып. 2(10) -С. 207-213) проведена оценка тепло-гидравлической эффективности данного метода интенсификации теплообмена. Использован энергетический коэф-

Nu/Nu

Рисунок 16 - Зависимость коэффициента дополнительной интенсификации теплообмена в ДШК от параметров нестационарности потока

фициент И =

Ып")1"' /Nu""°"

[спульс /ее* V3 ДШК ' Ъгл

, характеризующий интенсификацию теплообмена при

равных мощностях на прокачку теплоносителя, т.е. при одинаковых потерях в интенсифицированном и гладком каналах.

Распределение экспериментальных значений ко- Ц

эффициента И по 8Ь показаны на рисунке 17. Из данных рисунка видно, что коэффициент И больше единицы почти во всем диапазоне вИ и (3. Это указывает на то, что без учета затрат на

создание пуль- ЭЬ

саций потока

предложенный Рисунок 17 - Зависимость энергетического коэффициента И от числа метод интен- Струхаля

сификации теплообмена энергетически более выгоден по сравнению с гладким каналом.

Существенное повышение коэффициента И достигнуто и по отношению к ДШК на стационарном режиме, для которого И =1,11 (рисунок 17, символ *). В окрестности числа Струхаля БЬ = 0,6 теплогидравлическая эффективность снижается из-за заметного роста гидравлического сопротивления, но в области 811 > 1 значения И превышают значения при стационарном режиме ДШК. В этой области коэффициент гидравлического сопротивления Ъ, лишь немного превышает стационарные значения.

0,5

100 120 140

200 220 О, м3/ч

Рисунок 18 - Зависимость безразмерной частоты (числа Струхаля) 8Ь наложенных пульсаций от расхода воздуха через теплообменник

Проведенная оценка теплогидравлической эффективности позволяет сделать вывод, что использование наложенных пульсации в ДШК перспективно для интенсификации теплообмена. Полученные результаты открывают новые возможности повышения теплогидравлической эффективности теплообменников и систем охлаждения.

В пятой главе представлены результаты экспериментов на предложенном автором модельном теплообменном аппарате, в котором пульсации создаются за счет энергии самого потока. Опыты выполнялись в диапазоне средней скорости потока в рабочем участке и = 2,9-6,0 м/с. Частота пульсаций скорости потока зависела от расхода и составляла /= 50 - 126 Гц. Относительные амплитуды наложенных пульсаций скорости были на уровне 13 = 0,173 -0,235.

В предложенном аппарате обеспечивается постоянство относительной частоты наложенных пульсаций (БЬ £ 0,4) в широком диапазоне расходов <2 (рисунок 18). Полученная относительная частота не является оптимальной для повышения теплогидравлической эффективности, так как лучшие показатели, как видно из рисунка 17, достигаются при ЭЙ > 1. Более важным результатом этих опытов является реализация постоянной относительной частоты наложенных пульсаций БЬ. Для повышения числа Струхаля до оптимального уровня в данном теплообменнике необходимо увеличить число лопастей вращающейся заслонки или использовать более быстроходную турбину.

Результаты экспериментов с наложенными пульсациями потока в ДШК представлены на рисунке 19. Как видно, дополнительная интенсификация теплообмена от влияния нестационарности потока составила 20...25 %. Опытные данные хорошо согласуются с экспериментами работ Н.И. Михеева, И.А. Давлетшина.

Проведенные эксперименты на модельном теплообменнике указывают на возможность использования энергии потока для возбуждения колебаний в рабо-

Ыи

Яе

Рисунок 19 - Безразмерный коэффициент теплоотдачи в ДШК при наложенных пульсациях потока

• - пульсирующий режим; о - стационарный режим

чих участках теплообменного оборудования и систем охлаждения для реализации нестационарного эффекта интенсификации теплообмена в ДШК.

Заключение

1. Разработана методика экспериментального определения гидравлического сопротивления ДШК при пульсирующем течении, учитывающая волновую структуру колебаний потока в канале.

2. Экспериментами, выполненными в ДШК с относительными шагами расположения полукруглых поперечных выступов 1 и 2,3 в диапазоне чисел Рей-нольдса Re = 11000-41000, чисел Струхаля Sh = 0,01 -4, относительной амплитуды пульсаций ß = 0,2 - 0,7, установлено, что:

- относительный коэффициент гидравлического сопротивления не зависит от числа Рейнольдса;

- экспериментальные данные по гидравлическому сопротивлению ДШК при наложенной нестационарности потока с относительным среднеквадратичным отклонением 7% обобщаются зависимостью

4/4CT=l + 0,31ßus+l,9ß е-1*51"»-6'!.

- в окрестности безразмерной частоты Sh = 0,6 происходит максимальный рост относительного коэффициента гидравлического сопротивления , связанный с перестройкой структуры потока за выступами.

3. Предложена модель аппарата с ДШК, в котором реализован нестационарный эффект интенсификации теплообмена, а пульсации расхода создаются за счет энергии рабочего тела. В предложенном аппарате обеспечивается постоянство относительной частоты Sh в широком диапазоне расходов Q, что важно для обеспечения наиболее энергоэффективных режимов работы.

4. Экспериментами, проведенными на модельном теплообменнике со встроенным пульсатором, подтверждена интенсификация теплообмена 20...25% по отношению к стационарному режиму течения в ДШК, что хорошо согласуется с опытными данными работ Н.И. Михеева, И.А. Давлетшина.

Основные публикации по теме диссертации:

Научные статьи, опубликованные в рецензируемых научных изданиях, рекомендуемых ВАК:

1. Колчин, С.А. Переход к турбулентности в канале при отрыве потока за поперечными выступами / В.М. Молочников, O.A. Душина, A.A. Паерелий, С.А. Колчин // Вестник Нижегородского университета им.Н.И.Лобачевского. — Н.Новгород: Изд-во ННГУ им.Н.И.Лобачевского, -2011. - №4. - С.988.

2. Колчин, С.А. Расход через длинный канал с вращающейся заслонкой на конце / А.Е. Гольцман, И.А. Давлетшин, Н.И. Михеев, С.А. Колчин // Известия Российской академии наук. Механика жидкости и газа. —2014. —№4. - С. 31-34.

Работы, опубликованные в других изданиях:

3. Колчин, С.А. Теплообмен в дискретно шероховатом канале в условиях не-

стационарности потока / А.К. Кирилин, Н.И. Михеев, С.А. Колчин // Тезисы док-

ладов XVIII Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством

академика РАН А.И.Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в

новых энергетических технологиях», 23-27 мая 2011 г., г. Звенигород. Россия. -М.: Изд. дом МЭИ, 2011. - С.277-278.

4. Колчин, С.А. Экспериментальная установка для исследования теплообмена при автоколебаниях потока / С.А. Колчин // Материалы докладов УП Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения», г.Казань, 2527 апреля 2012 г.: в 4 т. - Казань: Казан, гос. энерг. ун-т, 2012. - Т. 2 - С.194-195.

5. Колчин, С.А. Экспериментальная установка для исследования теплообмена при автоколебаниях потока / С.А. Колчин, Н.И. Михеев // Материалы докладов VIII Школы-семинара молодых ученых и специалистов академика РАН В.Е. Але-масова «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении», 16-18 октября 2012 г. — Казань: Изд-во Казан, гос. техн. ун-та, 2012. — С. 172.

6. Колчин, С.А. Модельный теплообменник для реализации нестационарного эффекта интенсификации теплоотдачи / С.А. Колчин, Н.И. Михеев // Тезисы докладов XIX Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И.Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассобмена в новых энергетических технологиях». 20-24 мая 2013 г., Орехово-Зуево, Россия. М.: Издательский дом МЭИ, 2013. - С.321-322.

7. Колчин, С.А. Практическая реализация нестационарного эффекта интенсификации теплоотдачи / С.А. Колчин, Н.И. Михеев // Материалы Международной молодежной конференции «XXI Туполевские чтения (школа молодых ученых)», г. Казань, 19-21 ноября 2013 г. - Казань: Изд-во Казан, гос. техн. ун-та, 2013.-Т.П.-С. 266-267.

8. Колчин, С.А. Гидравлическое сопротивление дискретно-шероховатого канала при наложенной нестационарности потока / С.А. Колчин, Н.И. Михеев // Материалы IX школы-семинара молодых ученых и специалистов академика РАН

B.Е.Алемасова «Проблемы тепломасообмена и гидродинамики в энергомашиностроении», 10-12 сентября 2014 г. - Казань: Академэнерго, 2014. - С.102-106.

9. Колчин, С.А. Параметры пульсирующего потока в диффузоре / И.А. Дав-летшин, A.A. Паерелий, С.А. Колчин // Тезисы Шестой Российской национальной конференции по теплообмену. 27-31 октября 2014 г., Москва. - М.: Издательский дом МЭИ, 2014.-Т.1.-С. 147-148.

10. Колчин, С.А. Гидравлическое сопротивление дискретно-шероховатого канала на пульсирующих режимах течения / С.А. Колчин, Н.И. Михеев // Тезисы Шестой Российской национальной конференции по теплообмену. 27-31 октября 2014 г., Москва. - М.: Издательский дом МЭИ, 2014. - Т.З. - С. 67-68.

11. Колчин, С.А. Повышение теплогидравлической эффективности теплообменников на основе нестационарных эффектов / Н.И. Михеев, А.К. Кирилин,

C.А. Колчин // Тезисы Шестой Российской национальной конференции по теплообмену. 27-31 октября 2014 г., Москва. - М.: Издательский дом МЭИ, 2014. — Т.З. - С.85-86.

12. Колчин, С.А. Интенсификация процессов переноса импульса и теплоты в отрывных пульсирующих потоках / Н.И. Михеев, И.А. Давлетшин, С.А. Колчин // Всероссийская конференция XXXI Сибирский теплофизический семинар. -Новосибирск, 17-19 ноября 2014 г., Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2014. - С. 41.

Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная.

_Усл.печ.л. 0,93 Тираж 120. Заказ Д37._

Полиграфический участок издательства КНИТУ-КАИ. 420111, г. Казань, ул. К. Маркса, 10