Гидродинамика и теплообмен в каналах с поверхностными интенсификаторами при вынужденном движении теплоносителей тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

и

005003090

РЫЖКОВ ДЕНИС ВЛАДИМИРОВИЧ

ГИДРОДИНАМИКА И ТЕПЛООБМЕН В КАНАЛАХ С ПОВЕРХНОСТНЫМИ

ИНТЕНСИФИКАТОРАМИ ПРИ ВЫНУЖДЕННОМ ДВИЖЕНИИ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕЙ

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

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 1 ДЕК 2011

Казань 2011

005003090

Работа выполнена на кафедре «Теоретические основы теплотехники» в «Казанском национальном исследовательском техническом университете им. А.Н. Туполева-КАИ»

Научный руководитель

Научный консультант

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Попов Игорь Александрович

кандидат технических наук, доцент Щелчков Алексей Валентинович

доктор технических наук Давлетшин Ирек Абдуллович

кандидат технических наук, доцент Егоров Кирилл Сергеевич

Ведущая организация

Объединенный институт высоких температур Российской академии наук

Защита диссертации состоится » _2011 г. в ¿1'О часов на

заседании диссертационного совета Д.21М)79.02 при Казанском национальном исследовательском техническом университете им. А.Н. Туполева-КАИ (Казанском государственном техническом университете им. А.Н. Туполева) по адресу: 420111, г. Казань, ул. К. Маркса, 10.

С диссертационной работой можно ознакомиться в научной библиотеке Казанского национального исследовательского технического университета им. А.Н. Туполева-КАИ. Электронный вариант автореферата размещен на сайтах www.referat_vak@mon.gov.ru,www.kai.ru.

Автореферат разослан «¿Р» 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, г—""

к.т.н., доцент «/^¿^ А.Г. Каримова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время в условиях мирового энергетического кризиса остро стоит проблема повышения эффективности тепловых машин и рационального использования топливно-энергетических ресурсов, связанная со значительно возросшей стоимостью энергоносителей и всех видов природных ресурсов. Энергосбережение, экономия топлива и других природных ресурсов, совершенствование энергетических технологий являются приоритетными задачами развития экономики страны.

На сегодняшний день одним из самых дорогих видов энергии является тепловая. Её высокая стоимость определяется как самим ее производством (низкие КПД тепло-генерирующих установок, рост цен на топливо, значительные издержки при производстве), так и эффективностью её передачи и использования. Реализованные схемы теплообмена в теплообменных устройствах традиционных конструкций характеризуются, как правило, низкими значениями энергетической эффективности, что отрицательно сказывается на технических характеристиках установки в целом, вплоть до полной потери выигрыша в КПД от установки теплообменника.

Из анализа обзора литературы установлено, что при создании высокоэффективных теплообменных устройств, реализующих вынужденное течение теплоносителей, наиболее перспективным способом интенсификации теплообмена является поверхностная интенсификация, в том числе с помощью систем сферических, цилиндрических и траншейных выемок.

Цель работы: разработка рекомендаций по определению режимов обтекания и расчету гидросопротивления и теплоотдачи, необходимых для создания теплогидрав-лически эффективного теплообменного оборудования на основе выявленных механизмов интенсификации теплоотдачи в каналах и на поверхностях с выемками различной формы.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Установить границы режимов течения в каналах с интенсификаторами теплообмена в виде сферических, цилиндрических и траншейных выемок.

2. Выявить и математически описать влияние основных режимных параметров и геометрии интенсификаторов на теплоотдачу и гидросопротивление в каналах с цилиндрическими выемками.

3. На основе экспериментальных данных дать основы физических моделей течения и теплообмена в каналах с цилиндрическими и траншейными выемками.

4. Провести сравнительный анализ интенсификаторов теплоотдачи по их тепло-гидравлической эффективности; выявить наиболее перспективные интенсификаторы и дать рекомендации по их оптимальным параметрам и рациональным режимам эксплуатации.

Научная новизна и основные положения, выносимые на защиту:

1. Впервые получена карта режимов течения в каналах с цилиндрическими и траншейными выемками. Для сферических выемок ранее полученная карта режимов для воздуха дополнена данными для воды.

2. Установлена общность процессов переноса при обтекании потоком теплоносителя систем сферических, цилиндрических и траншейных выемок как элементов дискретной шероховатости. Физическая модель течения и теплообмена в каналах со

сферическими выемками распространена на системы цилиндрических и траншейных выемок.

3. Установлено и математически описано влияние режимных и геометрических параметров на гидросопротивление и теплоотдачу в каналах с цилиндрическими выемками при турбулентном режиме течения.

4. Разработаны рекомендации для инженерного расчета теплообменных аппаратов с интенсификаторами в виде цилиндрических и траншейных выемок.

Достоверность и обоснованность результатов подтверждаются соответствующей точностью и тарировкой всех измерительных систем, выполнением ряда тестовых опытов и хорошим согласованием их результатов с работами других исследователей, использованием современных компьютерных аппаратных и программных средств для обработки данных, удовлетворительным согласованием расчетных и экспериментальных данных, соответствием полученных результатов физическим представлениям о процессах переноса в данном классе технических способов повышения тепловой эффективности теплообменного оборудования.

Практическая ценность. Полученные в работе результаты позволяют: на основе визуализации обтекания выемок различной формы и разработанных карт режимов оптимизировать аэродинамические характеристики тел обтекания, в том числе транспортных средств, а также определять режимы обтекания, на основе которых производится выбор расчетных формул для гидросопротивления и теплоотдачи; разрабатывать высокоэффективное теплообменное оборудование и системы охлаждения для энергетики, машиностроения, химической и пищевой промышленности и т.д. на основе полученных в работе зависимостей для расчета гидросопротивления и теплоотдачи в каналах и на поверхностях с выемками; повысить тепловую эффективность оборудования в 1,1-1,8 раза при соизмеримом росте гидросопротивления за счет применения исследованных в работе интенсификаторов.

Реализация результатов работы. Результаты работы использованы в методиках расчета систем охлаждения в ОАО «Казанское ОКБ «Союз» (Казань), при исследовании аэродинамики транспортных средств в ООО «Энергия и эффективность» (Казань), при создании нового теплообменного оборудования в ООО «НПП «Трини-ти» (Казань). Основные результаты работы вошли в научно-технические отчеты по грантам РФФИ (№№ 09-08-00224-а, 10-08-00110-а, 11-08-00509-а), программы Министерства образования и науки РФ (госконтракты №2.1.2.5495, №2.1.2.12279, 14.740.11.0524) и др. и могут быть использованы в ОАО «КЭР-Холдинг», ОАО «КАМАЗ» и учебном процессе.

Апробация работы. Полученные основные результаты диссертации докладывались и получили одобрение на Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» (Жуковский, 2009, Звенигород, 2011), V Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 2010), Международной молодежной конференции «Туполевские чтения» (Казань, 2009-2011); Международной школе-семинаре «Актуальные проблемы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (Алушта, 2010); Межвузовском научно-практическом семинаре «Внутри-камерные процессы в энергетических установках, акустика, диагностика, экология» (Казань, 2011), Всероссийской школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН В.Е. Алемасова «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении» (Казань, 2009), IV и V Российской конференции «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках» (Москва, 2009,

2011), VI Международной научно-технической конференции «Авиация, наземный транспорт и энергетика» (Казань, 2011), на научно-технических семинарах кафедры ТОТ КНИТУ-КАИ (2007-2011).

Публикации. По материалам диссертации опубликована 21 печатная работа, включая 7 статей в центральных российских изданиях (из списка ВАК РФ), 13 тезисов и материалов докладов и 1 статья в сборнике.

Личный вклад автора заключается в постановке общей цели и конкретных задач исследования, выполнении основной части экспериментальных исследований, анализе и обобщении их результатов, разработке рекомендаций по повышению теп-логидравлической эффективности теплообменного оборудования.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованных источников, насчитывающего 109 наименований. Объем диссертации составляет 195 страниц машинописного текста, включая 129 рисунков, 6 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении в краткой форме обоснована актуальность выбранной темы, сформулированы цель и основные задачи исследования, отмечены научная новизна, практическая значимость диссертационной работы, перечень решенных в диссертации и выносимых на защиту задач и положений.

В первой главе приведен краткий анализ путей решения проблем по улучшению характеристик теплообменных аппаратов за счет интенсификации теплообмена. Среди перспективных выделены интенсификаторы теплообмена в виде дискретной шероховатости (системы выемок и выступов различной формы), проведен сравнительной анализ их теплогидравлической эффективности. Показано, что одним из типов интенсификаторов, обладающих высокой теплогидравлической эффективностью, являются поверхностные интенсификаторы, в том числе дискретная шероховатость в виде периодических поперечных выступов, систем сферических выступов и т.п.

В главе приведен обзор исследований картины течения, гидросопротивления и теплоотдачи в каналах с одиночными выемками сферической формы и их системами Р. Снидекера, С. Дональдсона, Г.И. Кикнадзе, A.B. Щукина, В.Н. Афанасьева, Я.П. Чуд-новского, A.A. Халатова, A.A. Александрова, B.C. Кесарева, А.П. Козлова, А.И. Леонтьева, A.B. Воскобойника, М.А. Готовского, М.Я. Беленького, Э.П. Волчкова, В.И. Терехова, С.А. Исаева, Ю.Ф. Гортышова, Ю.А. Кузма-Кичты, К.Л. Мунябина, Ф. Чоу, Э.Д. Сергиевского, Ф. Лиграни, С. Муна, Дж. Махмуда и многих др. Анализ литературы показал, что практически отсутствуют рекомендации по определению границ режимов обтекания интенсификаторов для дальнейшего обоснованного выбора расчетных зависимостей для определения коэффициентов гидросопротивления и теплоотдачи.

Результаты исследования теплоотдачи и гидродинамики при обтекании цилиндрических выемок изложены в работах К. Вигхарда, Е.М. Спэрроу, A.A. Халатова, С. Муна, М. Хивады, В.И. Терехова, Ф. Гренарда, Ф. Лиграни и др. Несмотря на накопленный объемный материал по исследованию осредненных и локальных характеристик гидродинамики и теплообмена в каналах с такими выемками, в литературе практически отсутствуют инженерные рекомендации по определению режимов обтекания и методики расчетного прогнозирования коэффициентов гидросопротивления и теплоотдачи в каналах с данными видами интенсификаторов теплообмена.

Трехмерные траншейные выемки различной формы рассматривались в экспериментальных и расчетных работах A.A. Халатова, С.А. Исаева, В.И. Терехова,

Дж. Парка, Э.Д. Сергиевского, A.A. Титова, A.B. Воскобойника и др. В работах С. А. Исаева и др. показана перспективность использования сферических траншейных выемок. Однако исследования носят преимущественно численный характер, и в них практически отсутствуют данные о границах режимов обтекания интенсификаторов и обобщающие зависимости для расчета локальной и осредненной теплоотдачи. Поэтому для решения проблем интенсификации теплообмена необходимы комплексные расчетно-теоретические и экспериментальные исследования теплообмена и трения в каналах с интенсификаторами.

В соответствии с этим в первой главе сформулированы цель и основные задачи исследования.

Во второй главе описаны схемы экспериментальных установок и рабочих участков, предназначенных для исследования гидродинамики и теплообмена в каналах с поверхностными интенсификаторами, а также методики проведения экспериментальных исследований, обработки полученных данных и результаты оценки погрешности измерений.

Объектом исследований во всех опытах являлись одиночные элементы и рельефы поверхностных интенсификаторов в виде систем сферических, цилиндрических или траншейных выемок (рис. 1). В опытах исследовались сферические и цилиндрические выемки с диаметром оттиска d на поверхности от 10 до 30 мм, глубиной h от 1,6 до 8 мм, что обеспечивало относительную глубину выемок h/d=0,1-0,5. Траншейные выемки имели диаметр оттиска от 3 до 16 мм, глубину от 0,3 до 8 мм, что обеспечивало h/d=0,1-0,5, а также длину l/d=l и угол натекания потока на выемку ф=0-90

В работе использовались три стенда: для исследования картин течения, исследования локальной теплоотдачи при обтекании пластин с интенсификаторами теплоотдачи и исследования гидросопротивления и теплоотдачи в каналах с интенсификаторами.

Визуализация режимов обтекания выемок производилась при использовании воды в качестве рабочей жидкости. Для проведения опытов по визуализации режимов обтекания выемок использовался экспериментальный стенд, состоящий из накопительного бака, циркуляционного насоса, системы рабочих участков с одиночными и системами выемок, системы измерений параметров потока и системы визуализации потоков. Рабочие участки в виде прямоугольных каналов с входными устройствами изготавливались из оргстекла для проведения визуализации. На нижней стенке участков наносились выемки различных размеров, конфигураций и количества, перед которыми для визуализации обтекания выемок с помощью дозирующего устройства производился подвод красящего вещества (тушь или чернила) через одно или систему отверстий. Визуализация проводилась с использованием цифровой видеокамеры Зопу-ОЗН-ТЛУПОЕ с 24-х кратным увеличением и цифровой фотокамеры 8опу-08С-Р505У с режимом макросъемки с 10-кратным увеличением. Обработка ре-

Рис. 1. Схемы элементов исследованных поверхностных интенсификаторов теплоотдачи в виде сферических, цилиндрических или траншейных выемок

зультатов визуализации проводилась с использованием программных продуктов Virtual Dub 1.6.0 и Microsoft Windows Movie Maker 5.1 версии 2.1.4026.1.

Исследования локальной теплоотдачи при обтекании пластин с интенсифика-торами теплоотдачи проводились на экспериментальном стенде в виде воздушной аэродинамической трубы с размещенной в ее тракте исследуемой пластиной. Аэродинамическая труба, работающая по принципу всасывания, представляет собой канал квадратного сечения со стенками из органического стекла для возможности визуализации. Равномерное распределение скорости во входном сечении аэродинамической трубы достигалось за счет входного устройства. В ходе экспериментов изменялись скорость воздушного потока, нагрев пластины, а также тип и параметры наносимых на пластину интенсификаторов. Исследуемая пластина устанавливалась на основу из теплоизоляционного материала и прижималась к электронагревателю в виде нихро-мовой пластины. Электронагреватель и исследуемые пластины располагались по обе стороны основы, что практически исключало тепловые потери. Скорость потока определялось при помощи трубки Пито-Прандтля, закрепленной в координатном устройстве. Для измерения температуры потока и исследуемой поверхности использовались хромель-копелевые термопары. Для исследования локальной теплоотдачи на интенсифицированных поверхностях методом инфракрасной термографии в корпусе аэродинамической трубы было выполнено технологическое отверстие, позволяющее герметично установить объектив тепловизора NECTH71. Обработка полученных данных производилась с помощью стандартного программного обеспечения NEC Image Processor ver.4.7. build.4.7.26. Для обеспечения высокого качества тепловизион-ной съемки на поверхность наносилось покрытие с заданной степенью черноты (шпаклевка), при этом при измерении температур показания тепловизора сравнивались с показаниями термопар в реперных точках. Оптическая система тепловизора обеспечивала заданный угол получения изображения. Данная методика обеспечивала погрешность определения плотности теплового потока ±20 %. На основе измерений плотности теплового потока по параметрам электрического тока на нагревателе, температуры потока и локальной и осредненной температуры по поверхности с помощью программного обеспечения NEC Image Processor определялись локальные и осред-ненные по интенсифицированной поверхности коэффициенты теплоотдачи. Тестовые опыты на гладкой пластине при ламинарном и турбулентном режиме обтекания потока воздухом пластины показали расхождение экспериментальных и теоретических расчетных значений коэффициентов теплоотдачи (8-15) %.

На описанном стенде также производилась визуализация обтекания воздухом поверхностей с одиночными или системами поверхностных интенсификаторов с помощью саже-керосиновой и саже-масляной визуализации.

Для исследования гидродинамики и теплоотдачи в каналах с поверхностными интенсификаторами при вынужденной конвекции газа использовался экспериментальный стенд, состоящий из системы подачи воздуха, системы измерений и рабочего участка. Основными элементами системы подачи воздуха являются входное устройство, объемный компрессор, фильтр-маслоуловитель, перепускной вентиль, расходо-мерная шайба, ресивер. В работе исследовались только турбулентные течения в диапазоне чисел Рейнольдса ReD=pwD/n=(9-27)-103 (D - эквивалентный диаметр канала). Газодинамический тракт рабочего участка представлял собой теплоизолированный канал прямоугольного сечения шириной 96 и длиной 190 мм. Высота канала менялась сменными вставками высотой 2-12 мм, что обеспечивало изменение относительной длины канала в пределах L/D=8,9-48,7. На одной из поверхностей стенок канала раз-

мером 96x190 мм методом фрезерования наносились рельефы из выемок. Данная стенка во время опытов нагревалась за счет встроенного электронагревателя сопротивления. Температура поверхности измерялась с помощью 24 термопар, расположенных по длине пластине в областях между выемками и в них, что позволяло более точно определять осредненную температуру интенсифицированной поверхности с учетом неравномерности распределения температур на ней. В опытах также фиксировались средние температуры и статические давления теплоносителя на входе и выходе из рабочего участка и расход теплоносителя через рабочий участок. Коэффициент теплоотдачи в канале определялся калориметрическим методом по определяемому тепловому потоку через расход и температуры теплоносителя (которые проверялись через измеряемые параметры электрического тока на нагревателе с учетом определяемых в тестовых опытах потерь через стенки канала), разнице измеренных средней температуры стенки и средней температуры теплоносителя в канале и площади теплообмена с учетом ее развития за счет нанесения выемок. Коэффициент гидросопротивления определялся по перепаду давления на участке, длине и гидравлическому диаметру канала, среднемассовой скорости потока в канале и его плотности. Оценка ожидаемой погрешности показала, что принятая методика и используемое метрологическое оборудование должно обеспечить погрешность измерений коэффициентов теплоотдачи до ±15%, а коэффициента гидросопротивления - до ±8%. Тестовые опыты, проведенные на стенде для гладкого канала при Ь/Т)=8,9-48,7 показали согласование экспериментальных и расчетных данных по гидросопротивлению и теплоотдаче с учетом влияния длины начального участка (отклонение экспериментальных и расчетных данных не более ±15 %).

В третьей главе проведен анализ гидродинамической картины обтекания сферических, цилиндрических и траншейных выемок. На основе данных по визуализации разработаны карты режимов обтекания. Установлена общность процессов переноса при обтекании потоком теплоносителя систем сферических, цилиндрических и траншейных выемок как элементов дискретной шероховатости, на основе чего физическая модель течения и теплообмена в каналах со сферическими выемками распространена на системы цилиндрических и траншейных выемок.

Визуализация течений проводилась при течении воды в плоских каналах различной высоты с односторонним расположением одиночных и систем сферических (рис. 2), цилиндрических (рис. 3) и траншейных (рис. 4) выемок при температуре теплоносителей 15-20 °С, Иев= 15-20 ООО и параметрах интенсификаторов и канала Ш=0,1-0,5; Ь/Н=0,06-2,0; НМ=0,21-1,42 (Н - высота канала). Угол расположения траншейных выемок относительно набегающего потока варьировался в пределах 0-90

Ламинарный режим характеризовался четкими, неразмытыми и прямыми линиями течения основного потока в канале. Ламинарно-турбулентный переход фиксировался как начало полного размытия траектории движения вводимого красящего вещества (тушь, чернила). Результаты визуализации выявили следующие режимы обтекания сферических выемок: 1) ламинарное безотрывное обтекание; 2) ламинарное отрывное обтекание выемки с присоединением потока ко дну выемки; 3) ламинарное течение без присоединения потока ко дну выемки; 4) турбулентное течение с присоединением потока в выемке; 5) турбулентное отрывное обтекание выемки без присоединения потока ко дну выемки (классификация режимов принята согласно работам А.И. Леонтьева, В.В. Олимпиева и др.).

в г

Рис. 2. Режимы обтекания сферических выемок в канале. Направление потока слева направо: а-ламинарное безотрывное обтекание; б-ламинарное отрывное обтекание с присоединением ко дну выемки; в-ламинарное отрывное обтекание без присоединения ко дну выемки; г-турбулентное отрывное обтекание без присоединения ко дну выемки

г

Рис. 3. Режимы обтекания цилиндрических выемок в канале. Направление потока справа налево: а-ламинарное безотрывное обтекание; б-ламинарное отрывное обтекание выемки с присоединением ко дну; в-ламинарное и турбулентное отрывное обтекание выемки без присоединения ко дну выемки; г-турбулентное отрывное обтекание одиночной выемки без присоединения ко дну выемки

Отличительной особенностью обтекания цилиндрических выемок от сферических являлось возможность формирования одно-, двух-, трех- и четырехячеистых вихревых структур в выемке при ламинарном течении без присоединения потока ко дну выемки по сравнению с характерным для сферических выемок развитием одно- и двухячеистых вихревых структур при этом режиме, а также формированием вторичных зон рециркуляции в более острых углах на дне выемки. Для траншейных выемок

выявлена зависимость наличия одно- и двухячеистых вихревых структур в выемке при отрывном обтекании выемок без присоединения ко дну выемки и области формирования центрального и торцевых парных вихревых за выемкой от угла ориентирования выемки к потоку и скорости потока.

Ламинарное безотрывное обтекание траншейной выемки: w„=0,006-0,045 м/с; Reh=5,3-10,2; Red=51-277; ReD=159-86S; h/d=0,1-0,19

Ламинарное отрывное обтекание траншейной выемки с присоединением ко дну выемки: Ш=0,1-0 32, №„=0,006-0,109 м/с; Не,, = 19,9-46; Ке„,=243-520; Кс,,=85-1 624

Ламинарное и турбулентное отрывное обтекание траншейной выемки с присоединением ко дну выемки: h/d=0,2-0,5 Рис. 4. Режимы обтекания траншейных выемок в канале. Направление потока справа налево

Эксперименты по визуализации обтекания сферических выемок также проведены в аэродинамической трубе на воздухе в области скоростей от 20 до 60 м/с при использовании сферических выемок с h/d=0,09-0,5. В ходе опытов дополнительно получены сведения о развитии «переключательного» режима обтекания выемок, связанного с переключениями эпицентров вихревых структур в выемках при h/d=0,2-0,5 и Reh=32 000-63 000. Данные картины течения были подтверждены также результатами численных исследований, приведенными в диссертации. Выявлены частота переключений и ее неравномерность в системах выемок.

Результаты визуализации позволили определить механизмы интенсификации теплоотдачи при нанесении рельефов выемок различной формы: более ранний лами-нарно-турбулентный переход в каналах, периодическое обновление пограничного слоя за выемками и турбулизация потока за выемками происходит за счет воздействия периодического (переключательного) выброса массы из выемок в пристенный слой в виде центрального и торцевых парных вихрей.

На основе результатов визуализации разработаны карты режимов для сферических, цилиндрических и траншейных выемок (рис. 5). Для цилиндрических и траншейных выемок карты режимов разработаны впервые. Для сферических выемок проведено уточнение полученной ранее Ю.Ф. Гортышовым и И.А. Поповым карты режимов для воздуха путем учета данных для воды. Карты режимов приведены в координатах Reh-

11/(1 и Яео-Ь/с!. Все режимы для различных выемок соответствуют ранее показанным моделям обтекания. Анализ карт режимов показывает их подобие по значениям переходных чисел Рейнольдса. Из карт режимов также видно, что увеличение относительной глубины выемки ИМ приводит к более раннему ламинарно-турбулентному переходу. Разработанные карты позволяют прогнозировать режим обтекания, на основе которого производится выбор расчетных формул для гидросопротивления и теплоотдачи.

отрывное обтекание с присоединением ; —-(одиночный и (осесиметричныи \ вихрь)

парный вихрь)

Отрывное обтекание с присоединением потока ко дну выемки (осесиметричныи парный вихрь)

Отрывное обтекание с присоединением потока коднувыемки (зона рециркуляции)

Обтекание сферических выемок

Обтекание цилиндрических выемок

Турбулентный отрывной 6« присоединения ко дну выемки (вихревые структуры)

Ламинарный отрывной беа присоединения ко дну выемки |вихреаые структуры)

Ламинарный отрывной с присоединением в выемке (зона рециркуляции)

Обтекание траншейных выемок

Рис. 5. Карты режимов обтекания одиночных и систем сферических, цилиндрических и траншейных выемок в каналах

Результаты визуализации сферических, цилиндрических и траншейных выемок показали подобие физических моделей обтекания выемок. Поэтому для описания механизмов течения в выемках могут использоваться физические модели обтекания сферических выемок, изложенные в работе А.И. Леонтьева с соавторами и показанные на рис. 6. Отличительной особенностью физических моделей для цилиндрических и траншейных выемок является наличие вторичных рециркуляционных зон. Таким образом, для цилиндрических и траншейных выемок пригодны расчетные модели, предложенные в работах А.И. Леонтьева и др.

В четвертой главе представлены результаты экспериментального исследования гидросопротивления и теплообмена в каналах со сферическими, цилиндрическими и траншейными выемками и сравнительный анализ теплогидравлической эффективности различных поверхностных интенсификаторов. Установлено и математически описано влияние режимных и геометрических параметров на гидросопротивление и теплоотдачу в каналах с цилиндрическими выемками при турбулентном режиме течения. На основе анализа тепловой и теплогидравлической эффективности даны рекомендации для инженерного расчета теплообменных аппаратов с интенсификаторами в виде цилиндрических и траншейных выемок.

м" р_^ : . 10

_в,_ 1

а б в

Рис. 6. Физические модели обтекания поверхностей со сферическими, цилиндрическими и траншейными выемками: а-обтекание поверхности с выемками ламинарным потоком с присоединением на дне выемки; б-Обтекание поверхности с выемками ламинарным потоком без присоединения на дне выемки; в-Обтекание поверхности с выемками турбулентным потоком без присоединения потока на дне выемки; 1 -рециркуляционное течение; 2 - внутренний ламинарный пограничный слой; ¡-внутренний ламинарный пограничный слой в зоне рециркуляции; 4 - внутренний пограничный слой; 5 - вихревая ячейка; 6 - внутренний парный вихрь; 7 - слой смешения; 8 - смерчеобразный вихрь; 9 - вихрь Кармана; 10- вторичная зона рециркуляции

Исследования распределения локальных коэффициентов теплоотдачи при обтекании пластины с нанесенными рельефами производились на экспериментальном стенде в виде воздушной аэродинамической трубы методом инфракрасной съемки (рис. 7).

Исследования производились на одиночных и системах выемок сферической, цилиндрической и траншейной формы в диапазоне течений, соответствующих турбулентному отрывному обтеканию выемок без присоединения ко дну выемки (Кеь=20 000-65 ООО). Исследовались выемки относительной глубиной Ш=0,09-0,5 при их шахматном и коридорном расположении. Для траншейных выемок изменялся угол натекания воздушного потока от 45° до 90°. В ходе экспериментов обоснованы механизмы интенсификации теплоотдачи и показано их подобие для всех исследуемых типов интенсификаторов теплоотдачи как элементов дискретной шероховатости. Для всех исследованных форм наблюдалось повышение температуры в выемках (понижение коэффициентов теплоотдачи), причем наблюдался рост температуры от задней кромки к передней, что соответствует развитию внутреннего пограничного слоя в рециркуляционном течении по дну выемки (рис. 7). За выемкой наблюдалось значительное понижение температуры в зоне повышенной теплоотдачи из-за обновления пограничного слоя и турбулизирующего воздействия вихревых структур, образующихся за выемкой. Установлено, что влияние выемки на поток сохраняется на расстоянии порядка 2ё от выемки вниз по течению. В поперечном направлении зона влияния выемки достигает 0,5(1. Описанная картина тепловизионных наблюдений полностью соответствует изложенной в главе 3 физической модели турбулентного отрывного обтекания выемок без присоединения потока к их дну.

Рис. 7. Примеры распределения температур на поверхности пластин со сферическими (а - Ы(1=С1,3, Я„=2780 Вт/м2, №=27,33 м/с; б - №=0,5, \у0=17,82 м/с, я=3 667 Вт/м2), цилиндрическими (в - Ш=0,5, №=15,24 м/с) и траншейными (г - Ш=0,3,1=с1, ф=45 \у=49,19 м/с) выемками, полученные тепловизионной съемкой

В ходе тепловизионных исследований также произведена оценка средних коэффициентов теплоотдачи на исследованных поверхностях с рельефами сферических, цилиндрических и траншейных выемок. Для пластин со сферическими выемками в шахматном расположении при Ыс1=0,3, Г = 0,67 (? - относительная площадь поверхности, занимаемая выемками) установлено повышение коэффициентов теплоотдачи до а/агл=3,77 раза при различных скоростях обтекания (Яех=( 1,5-6)' 105). Полученные значения численно соответствуют ранее полученным данным для каналов (работы Ю.Ф. Гортышова и И. А. Попова). В ходе тепловизионных исследований теплоотдачи на пластинах с цилиндрическими выемками при турбулентном режиме обтекания выявлена интенсификация теплоотдачи на уровне а/агл=1,5 раза при изменении в диапазоне Ш=0,5, ? = 0,65, (Яех=( 1,5-6)105) (рис. 8 а). Наибольший прирост средних коэффициентов теплоотдачи соответствовал пластинам с Ь/ё=0,5. Для систем траншейных выемок исследование теплоотдачи показало, что интенсификация средней теплоотдачи составляет до 1,8 раза при Ш=0,35, ? = 0,6,11ех=(1,5-6)'105 (рис. 8 б), коэффициенты теплоотдачи максимальны при шахматном расположении выемок с наклоном траншей в одном направлении, максимальная интенсификация наблюдается при использовании выемок с Ы(3=0,5. При изменении угла наклона выемки к потоку в диапазоне от 45 до 90 ° наблюдается экстремум при ср=67,5 Это экспериментально подтверждает полученные в расчетных работах С.А. Исаева и др. данные об оптимальном угле наклона траншейных выемок, близком к ср=74

цилвыемка, №D=0,1. шахм цип выемка. h/D=0.2. шахм цил выемка h/D =0,35, шахм цил выемка, h/D=0,5 шахм гладкая пластина

/

к . -

ч '

Гладкая пластина

Рис. В. Данные по средней теплоотдаче на пластине с цилиндрическими (а) и траншейными (6) выемками: точки - эксперимент, линия - расчет для турбулентного режима обтекания гладкой пластины

В работе проведено экспериментальное исследование коэффициента гидросопротивления (рис. 9) и средних коэффициентов теплоотдачи (рис. 10) в щелевых каналах с соотношением высоты к ширине канала от 0,02 до 0,125 при одностороннем нанесении цилиндрических выемок в шахматном порядке. Диаметр выемок составлял d=16 мм, глубина выемок составляла h=l,6; 3,2; 5,6; 8,0 мм, что обеспечивало относительную глубину выемок h/d=0,l; 0,2; 0,35; 0,5. Увеличение поверхности составляло 7,7; 15,5; 27,2; 38,8 % в соответствии с относительной глубиной выемок. Площадь исходной гладкой поверхности составляла 198x96 мм, плотность расположения выемок 0,52. Исследовались каналы с относительной длиной L/D=50.

15000 „ 20000 25000 30000

Ren

Линия - расчет для гладкого канала иР>50. турбулентный режим □ 1./Н=95.0 (№=48,7); ||/а-0,1: №Н-0.80 О |./Н=38.0 (1-/0=20.0); Ь/с)=0,1; И/Н=0.32 ин=23.7 аю=12.8): 1)/с|=0.1; №=0.20 ин=15.8 (1/0=8.9); |1/с1=0,1;|1/Н=0.13 |_/Н=95.0 (1/0=48,7): |1/сМ,2; Ь/Н=1.60 1_/Н=38,0 (1/0=20,0); ЬМ=0.2: И/Н=0,64 ЦН-19.0 (1/0=10.5); |1/с1*0,2: И/Н=0.32 1./Н=15.8 (1/0=8,9); |1/а=0.2; |1/Н=0.27 1./Н-95.0 (1/0=48.7): И/а=0.35; Ь/Н=2.80 ЦН=38.0 (1/0=20.0); |1/с1=0.35: И/Н=1.12 [_/Н=23,7 (Ш=12,8); 11М=0,35; Ь/Н=0.70 Ь/Н=15,8 (1/0=8.9); И/<1=0,35: №=0,47 1./Н=95.0 (1/0=48.7): И/<1=0.5: Ь/Н=4.0 1/Н=38,0 (Ш=20,0): Ь/а=0.5: и/н=1.6 ЦН=1 9,0 а/0=10,5); ЬМ=0.5; |1/Н=0,8 ЦН=15.8 (1/0=8.9); ЬМ=0.5: Ь/Н=0,67

Рис. 9. Экспериментальные данные по гидравлическому сопротивлению в каналах с цилиндрическими выемками

Коэффициент гидросопротивления определялся по измерениям статического давления на входе и выходе из канала, скорости потока, длине канала и его гидравлическому диаметру. Отборники давления устанавливались в области течений, где влияние вихревых и обратных течений, генерируемых выемками, практически исключено. Исследования проведены в диапазоне чисел 11ео=9 000-27 000, при которых согласно разработанной карте режимов при М=0,1-0,5 в каналах с цилиндрическими

выемками гарантированно реализуется турбулентный режим течения без присоеди-

нения потока ко дну выемки

300

15000 20000 25000 30000

Re,

Линия - расчет для гладкого канала Ш>50, турбулентный режим а иН-95,0 (1/0=49.7)'. 1: Ь/Н=0.80 О 1./Н=38.0 (1-/0=20.0): ИМ=0.1; И/Н=0,32 Ш=23.7 (1.ГО=12.8); ИИ=0.1; Н/Н-0.20 Ш=15.8 (ио-8.9): М=0.1: И/Н=0.13 Ь/Н=95.0 (1-/0=48.7); ЬМ=0,2; Ь/Н=1.60 ин=38.0 (1-/0=20.0); Ьй=0,2; Ь/Н=0.64 ЦН=19.0 <¡./0=10.5): ЬМ-0.2: Ь/Н=0.32 иН«15.8 (1/0=8.9); №сМ),2; И/Н=0.27 иН=95.0 (№=48.7); ИМ=0.35; ь/н=2.80 Ш=38.0 (и0-20.0): №0.35: Ь/Н=1.12 №=23.7 (1/0=12.8); ЬМ=0.35; |1/Н=0.70 ин=15.8 (1/0=8.9): ЬМ=0.35: И/Н=0.47 Ш=95.0 (1/0=48.7): Ь/С|=0.5: Ь/Н=4.0 ин=38.0 (1/0=20.0); ЬМ=0.5; Ь/Н=1.6 иН=19.0 (1/0=10.5); ЬМ=0.5; и/н=0.8 1_/Н=15.8 (1-/0=8.9): Ь/с1=0.5: Ь/Н=0.67

Рис. 10. Экспериментальные данные по среднему коэффициенту теплоотдачи в каналах с цилиндрическими выемками

Данный режим течения наиболее интересен для практических приложений. Повышение гидросопротивления £ДГЛ в исследованном диапазоне чисел Рейнольдса ReD при нанесении выемок относительной глубины h/d=0,l; 0,2; 0,35 и 0,5 (h/D=0,4; 0,8; 1,4 и 2) составило 7,4; 49; 50 и 53 %, соответственно. Обобщение экспериментальных данных производилось по модели ^=f(ReD, h/D). Анализ влияния h/D при h/d=0,2-0,5 на коэффициент гидросопротивления в каналах с L/D=48,7 показал практически автомодельность (в пределах точности эксперимента) коэффициента гидросопротивления от h/D, поэтому обобщение производилось отдельно для каналов с h/d=0,2-0,5 и для каналов с h/d=0,1-0,2. Получены зависимости для коэффициентов гидросопротивления в виде:

0,468

■ для h/d=0,2-0,5, h/D=0,8-2

■ для h/d=0,1-0,2 и h/D=0,4-0,8

0,25

Re^

4 = ^(h/D)0'48

Re'

(1)

(2)

Зависимости (1) и (2) справедливы в диапазоне ReD=9 000-25 000, L/D=48,7, и описывают все точки с погрешностью ±11 % и ±9 % соответственно при доверительной вероятности 0,95.

В работе проведено также исследование относительно коротких каналов при L/D=8,9-20,0 с учетом влияния начального участка, что обусловлено использованием интенсификации теплообмена в подобных каналах в системах охлаждения лопаток газовых турбин, микротеплообменниках и т.д. Для данных каналов также получены расчетные зависимости в виде:

- для h/d=0,2-0,5 расчет можно производить по зависимости (1)

- для h/d=0,1-0,2 ^- 0 25°'27 0 25- (3)

Rejj (h/D) •

Зависимости (1) и (3) справедливы в диапазоне ReD=9 000-27 000 и описывают все точки с погрешностью ±15 % и ±8 %, соответственно, при доверительной вероятности 0,95.

Анализ влияния на увеличение коэффициента гидросопротивления с^гл в канале с цилиндрическими выемками относительных конструктивных параметров канала

(относительной длины L/D) и относительной глубины шероховатости (h/d, h/D) показал (рис. 11), что с уменьшением L/D значение возрастает; с уменьшением L/D значение § возрастает при h/D=0,1-0,2 и становится практически постоянным при h/D=0,2-0,5; при постоянных L/D в диапазоне 10,5-48,7 с увеличением h/D (h/d) относительные гидравлические потери в основном возрастают, при этом с ростом h/D (h/d) интенсивность роста Щтп замедляется, а при L/D=8,9 с ростом h/D (h/d) значение Щтл практически постоянно; с уменьшением L/D уровень значений Щгл уменьшается.

2,5

0,7

h/d=0,5 ■

h/d=0,35 Щ' \* .........• * . T* • \h/d=0,2

■ L/D=48,7

* 12,8

T 10,5

* 8,9

0,1

h/D

Рис. 11. Влияние на увеличение коэффициентов гидросопротивления и средней теплоотдачи в канале с цилиндрическими выемками относительных конструктивных параметров канала (относительной длины L/D) и относительной глубины шероховатости (h/d, h/D) при (ReD=20 ООО)

Исследование теплоотдачи производилось с определением теплового потока калориметрическим методом, площади теплообмена с учетом развития за счет нанесения выемок, средних температур поверхности теплообмена и теплоносителя.

Исследования средних коэффициентов теплоотдачи в каналах с односторонним нанесением цилиндрических выемок при L/D=48,7 и обобщение экспериментальных данных по средней теплоотдаче производилось по моделям NuD=f(ReD,Pr,h/D, T/Tw), которые позволили получить расчетную зависимость для среднего коэффициента теплоотдачи в виде:

Nud = 0,033 Re°-8Pr 0,43 (h/D)0'2. (4)

Зависимость (4) описывает экспериментальные точки в диапазоне ReD=12 500-25 000, h/d=0,l-0,5; h/D=0,4-2,0 с отклонением ±15 % при доверительной вероятности 0,95.

Исследования теплоотдачи в относительно коротких каналах с L/D=8,9-48,7 (рис. 11) позволили отметить, что при L/D=48,7 с увеличением h/D (h/d) интенсификация теплоотдачи Nu/Nura возрастает. При постоянных L/D в диапазоне L/D=8,9-20,0 при переходе с h/d=0,l до 0,2 наблюдается незначительное уменьшение Nu/Nura и затем с ростом h/d с 0,2 до 0,5 - постоянный рост Nu/Nurjl. При уменьшении L/D наблюдается уменьшение уровня Nu/Nura при h/d=0,5; 0,35 и частично 0,2 (при уменьшении L/D с 48,7 до 20,0), при h/d=0,l и частично 0,2 (при уменьшении L/D с 20,0 до 8,9) уровень Nu/NurjI практически постоянен.

Для оценки в инженерных расчетах уровня средней теплоотдачи в каналах различной длины с цилиндрическими выемками получены зависимости вида Nu=f(Re, Pr, h/D, L/D, Tf/Tw):

- для h/d=0,2-0,5: NuD = 0,035Re°'8 Pr0'43; (5)

■№h/d=fl,l: NuD=0,02Re°D-8PrM3(h/Dr°'27. (6)

Зависимости (5) и (6) описывают экспериментальные точки с отклонением ±15 % при доверительной вероятности 0,95 в диапазоне изменения определяющих параметров Яе0=12 500-25 ООО, ЫЭ=8,9-48,7; Ш=0,1-0,5, Ти^ =0,04-0,06.

Теплогидравлическая эффективность каналов с цилиндрическими выемками оценивалась с использованием критерия Е'=[(№1/№1гл)/(!^Гл)]. Установлено, что максимальное значение критерия Е' свойственно цилиндрическим выемкам с ЬЛ1=0,1. В этом случае теплогидравлическая эффективность [(Ки/№1гл)/(^/!;гл)]=1,2-1,3 во всем диапазоне изменения чисел Яео=9 000-27 000 (при этом повышение коэффициентов теплоотдачи может достигать 25-74 %). Полученные значения теплогидравлической эффективности цилиндрических выемок сопоставимы с максимальной теплогидравлической эффективностью поперечных кольцевых выступов и сферических выемок, сравнительный анализ по которым представлен в работах А.И. Леонтьева и В.В. Олимпиева.

Согласно рекомендациям В.К. Мигая, размеры поверхностных интенсификато-ров при турбулентном режиме течения должны быть сопоставимы с толщиной вязкостного подслоя и переходной области турбулентного пограничного слоя, суммарная толщина которых в гладком канале оценивается параметром

выполненном исследовании, при Ыё=0,1 и ЬЯ)=0,08 значение Ь+ составляло 65-143 при Яев=11 000-27 000, а при №=0,1 и 11/0=0,4 - Ь+=283 при Р1е0=11 000 и Ь+=622 при Ке0=27 000. В своих работах Г.А. Дрейцер считает, что при турбулентном течении газов целесообразно искусственно турбулизировать пристенный слой толщиной порядка Ь+=50-200, т.е. реализованные в работе значения Ь+ близки к оптимальным.

Основные выводы по работе:

1. Впервые разработаны карты режимов обтекания траншейных и цилиндрических выемок и их систем. Для сферических выемок ранее полученная карта режимов для воздуха дополнена данными для воды.

2. Уточнены физические модели обтекания сферических, цилиндрических и траншейных выемок. Установлено подобие процессов их обтекания.

3. Впервые получены обобщающие зависимости для расчета теплоотдачи и гидравлического сопротивления каналов с цилиндрическими выемками с Ый=0,1-0,5 и 1=52% при турбулентном отрывном режиме течения в диапазоне чисел Кес=9 500-27 000. Максимальный рост теплоотдачи в таких каналах при ? =52 % и 170=48,7 составил 25 % при Ш=0,1 и до 75 % при МЭ=0,5 при сопоставимом росте гидросопротивления.

4. Определены коэффициенты локальной и средней теплоотдачи на поверхностях с одиночными и «шахматными» и «коридорными» рельефами из траншейных выемок при относительных глубинах выемок Ь/ё=0,1-0,5 и различных углах поворота выемок по отношению к набегающему потоку <р =0, 22, 45, 67, 90 Определено влияние угла наклона траншейных выемок к набегающему потоку на теплоотдачу. Установлено, что максимальная интенсификация теплоотдачи (на 60 % по сравнению с гладкой поверхностью) соответствует ср=67,5 0 при использовании «шахматного» рельефа выемок. На основе тепловизионных исследований обоснованы механизмы интенсификации теплоотдачи при использовании траншейных выемок.

5. Обоснованы оптимальные условия использования исследованных интенсифи-каторов теплоотдачи. Установлено, что наибольшая теплогидравлическая эффективность цилиндрических выемок при турбулентном режиме их обтекания в диапазоне

чисел ReD=12 500-27 ООО составляет E'm„=l,2-1,3 и соответствует значениям h/D=0,l во всем исследованном диапазоне L/D=8,9-48,7.

Список трудов автора, отражающих содержание диссертационной работы

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов диссертаций:

1. Рыжков Д.В. Гидродинамика и теплообмен на поверхностях со сферическими выемками / Гортышов Ю.Ф., Попов И.А., Щелчков A.B., Рыжков Д.В. // Труды Ака-демэнерго». Казань. 2009, №1, с.7-22.

2. Рыжков Д.В. Теплогидравлические характеристики теплообменных аппаратов с поверхностной интенсификацией теплообмена в виде сферических выемок и выступов / Гортышов Ю.Ф., Попов И.А., Щелчков A.B., Рыжков Д.В. // Тепловые процессы в технике. Москва. 2009, №3, с.102-108.

3. Рыжков Д.В. Вихреобразование в отрывных потоках на поверхностях с углублениями различной формы / Попов И.А., Щелчков A.B., Рыжков Д.В. // Труды Ака-демэнерго. Казань. 2010. №3. с.7-14.

4. Рыжков Д.В. Повышение эффективности котлоагрегатов посредством интенсификации теплообмена / Попов И.А., Яковлев А.Б., Щелчков A.B., Рыжков Д.В. // Энергетика Татарстана. Казань. 2010. №3. с.31-36.

5. Рыжков Д.В. Интенсификация теплообмена - рациональный способ повышения эффективности газотрубных котлоагрегатов / Попов И.А., Яковлев А.Б., Щелчков A.B., Рыжков Д.В. // Энергетика Татарстана. Казань. 2010. №4.

6. Рыжков Д.В. Перспективные методы интенсификация теплообмена для теплоэнергетического оборудования / Попов И.А., Яковлев А.Б., Щелчков A.B., Рыжков Д.В., Обухова JI.A. // Энергетика Татарстана. Казань. 2011. №1.

7. Рыжков Д.В. Вихреобразование в отрывных потоках на поверхностях с углублениями различной формы / Попов И.А., Щелчков A.B., Рыжков Д.В., Ульянова P.A. // Тепловые процессы в технике. Москва. 2011. №6. с. 253-258.

Статьи в сборниках:

1. Рыжков Д.В. Теплогидравлическая эффективность каналов со сферическими выступами при ламинарном и переходном режимах / Попов И.А., Щелчков A.B., Лотфуллин М.Н., Рыжков Д.В. // Современная наука: сборник научных статей. Киев. НПВК Триакон. 2010. №2. с.236-240.

Материалы конференций:

1. Рыжков Д.В. Эволюция вихревых структур при различных режимах обтекания поверхностей со сферическими выемками / Попов И.А., Щелчков A.B., Рыжков Д.В. // XVII школа-семинар молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева. М.: Издательский дом МЭИ, 2009.

2. Рыжков Д.В. Эволюция вихревых структур при обтекании поверхностей со сферическими выемками // Материалы Международной молодежной научной конференции «XVII Туполевские чтения». Казань: Изд-во Казан, гос. техн. ун-та, 2009.

3. Рыжков Д.В. Исследование локальной и средней теплоотдачи на интенсифицированных поверхностях теплообмена // Материалы Международной молодежной научной конференции «XVII Туполевские чтения». Казань: Изд-во Казан, гос. техн. ун-та, 2009.

4. Рыжков Д.В. Вихреобразование в отрывных потоках на поверхностях с углублениями различной формы / Попов И.А., Щелчков A.B., Рыжков Д.В., Ульянова P.A. // Труды Пятой Российской Национальной конференции по теплообмену. T.6. Интенсификация теплообмена. Радиационный и сложный теплообмен. М.: Издательский дом МЭИ, 2010. с.137-140.

5. Рыжков Д.В. Вихреообразование в отрывных потоках на поверхностях с углублениями различной формы / Попов И.А., Щелчков A.B., Рыжков Д.В., Ульянова P.A. // Школа-семинар молодых ученых и специалистов под рук-вом акад. РАН В.Е. Алемасова. Казань: 2010.

6. Рыжков Д.В. Гидродинамика и теплообмен на перспективных интенсифицированных поверхностях / Рыжков Д.В., Ульянова P.A. // Материалы Международной молодежной научной конференции «XVII Туполевские чтения». Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2011.

7. Рыжков Д.В. Гидродинамика и теплообмен в каналах с перспективными ин-тенсификаторами / Попов И.А., Щелчков A.B., Рыжков Д.В., Ульянова P.A. //Проблемы газодинамики и тепломассообмена в новых энергетических технологиях: Тезисы докладов XVIII Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством акад. РАН А.И. Леонтьева (23-27 мая 2011 г., Звенигород). - М.: Издательский дом МЭИ, 2011. - 424 с.

8. Рыжков Д.В. Гидродинамика и теплообмен в каналах с перспективными поверхностными интенсификаторами / Попов И.А., Щелчков A.B., Рыжков Д.В., Ульянова P.A. // Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий. Сборник материалов XXIII Всероссийской межвузовской научно-технической конференции. Часть 2. Казань: Издательство «Отечество», 2011. - 276 с.

9. Рыжков Д.В. Гидродинамика и теплоотдача при отрывных течениях в каналах с углублениями различной формы / Попов И.А., Щелчков A.B., Рыжков Д.В., Ульянова P.A. // Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики «АНТЭ-2011»: Материалы VI Международной научно-технической конференции. Т. 1. Казань, 12 - 14 октября 2011 года. Казань: Изд-во Казанского гос. техн. унта, 2011.-596 с.

10. Рыжков Д.В. Гидродинамика и теплообмен в 2D- и ЗО-дискретно-шероховатых каналах при переходных режимах течения / Попов И.А., Щелчков A.B., Яркаев М.З., Рыжков Д.В. // Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики «АНТЭ-2011»: Материалы VI Международной научно-технической конференции. Т. 1. Казань, 12-14 октября 2011 года. Казань: Изд-во Казанского гос. техн. ун-та, 2011. - 596 с.

11. Рыжков Д.В. Гидродинамика и теплоотдача при отрывных течениях в каналах с углублениями различной формы / Попов И.А., Щелчков A.B., Рыжков Д.В., Ульянова P.A. // Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках: Четвертая международная конференция: тезисы докладов. - М.: Издательский дом МЭИ, 2011.-304 с.

12. Рыжков Д.В. Гидродинамика и теплообмен в 2D- и ЗО-дискретно-шероховатых каналах при переходных режимах течения / Попов И.А., Щелчков A.B., Яркаев М.З., Рыжков Д.В. // Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках: Четвертая международная конференция: тезисы докладов. - М.: Издательский дом МЭИ, 2011.-304 с.

13. Рыжков Д.В. Гидродинамика и теплоотдача в каналах с цилиндрическими углублениями / Рыжков Д.В., Попов И.А., Щелчков A.B. // Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических технологиях: тезисы докладов Международной научной школы (Москва, 5-7 сентября 2011 г.) - М.: Издательский дом МЭИ, 2011. — 196 с.

Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ.л. 1,25. Усл.печ.л. 1,16. Уч.-изд.л. 1,0.

_Тираж 120. Заказ 0144._

Издательство Казанского государственного технического университета (КНИТУ-КАИ)

Типография Казанского государственного технического университета 420111, Казань, К. Маркса, 10

Условные обозначения.

Введение.

ГЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ ГИДРОДИНАМИКИ И ТЕПЛООБМЕНА НА ПОВЕРХНОСТЯХ С ВЫСТУПАМИ И ВЫЕМКАМИ

РАЗЛИЧНОЙ ФОРМЫ.

1.1. Сравнительный анализ теплогидравлической эффективности каналов с поверхностными интенсификаторами теплоотдачи различной формы.

1.2. Особенности гидродинамики и теплообмена на поверхностях со сферическими выемками.

1.3. Особенности гидродинамики и теплообмена на поверхностях с цилиндрическими выемками.

1.4. Особенности гидродинамики и теплообмена на поверхностях с траншейными выемками.

1.5. Исследование гидродинамики и теплообмена на поверхностях с выемками прочих форм.

1.6. Постановка цели и задач исследования.

ГЛАВА 2. МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОВЕДЕНИЯ

ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1. Экспериментальная установка для визуализации течения жидкости.

2.1.1. Описание экспериментального стенда.

2.1.2. Методика визуализации течения.

2.1.3. Методика обработки результатов экспериментов по визуализации течения.

2.2. Экспериментальная установка для визуализации течения, тепловизионного исследования, исследования гидродинамики и теплоотдачи.

2.2.1. Описание экспериментального стенда.

2.2.2. Методика визуализации течения в каналах с интенсифицированными поверхностями.

2.2.3. Методика тепловизионного исследования интенсифицированных поверхностей.

2.2.4. Методика проведения экспериментов по исследованию теплоотдачи пластины.

2.2.5. Методика обработки результатов измерений.

2.2.6. Оценка погрешности результатов экспериментов.

2.3. Экспериментальный стенд для исследования структуры течения и гидродинамики канала с поверхностными интенсификаторами.

2.3.1. Описание экспериментального стенда.

2.3.2. Методика экспериментального исследования структуры течения и гидродинамики канала с поверхностными интенсификаторами

2.3.3. Методика обработки экспериментальных данных.

2.3.4. Оценка точности эксперимента.

2.4. Анализ результатов тестовых опытов.

2.4.1. Тестовые опыты по тепловизионным исследованиям теплоотдачи на гладкой пластине.

2.4.2. Тестовые опыты по гидросопротивлению и теплоотдаче.

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ КАРТИНЫ ОБТЕКАНИЯ ВЫЕМОК РАЗЛИЧНОЙ ФОРМЫ.

3.1. Результаты визуализации обтекания одиночных и систем сферических выемок.

3.1.1. Ламинарное безотрывное обтекание.

3.1.2. Ламинарное обтекание выемки с присоединением потока.

3.1.3. Ламинарное течение без присоединения в выемке.

3.1.4. Турбулентное обтекание выемки.

3.1.5. Численное моделирование течения в канале со сферическими выемками.

3.2. Результаты визуализации обтекания цилиндрических выемок.

3.2.1. Ламинарное безотрывное обтекание.

3.2.2. Ламинарное обтекание выемки с присоединением потока.

3.2.3. Ламинарное обтекание выемки без присоединения потока.

3.2.4. Турбулентное обтекание выемки без присоединения потока.

3.3. Результаты визуализации обтекания траншейных выемок.

3.3.1. Эволюция обтекания траншейных выемок относительной глубины Ш^О, 1-0,5 при угле натекания ср=90 °.

3.3.2. Эволюция обтекания траншейных выемок относительной глубины h/d=0,1-0,5 при угле натекания ср=67,5 °.

3.3.3. Эволюция обтекания траншейных выемок относительной глубины h/d=0,1-0,5 при угле натекания ср=45 °.

3.4. Карты режимов обтекания выемок различной формы в каналах.

3.5. Физическая модель обтекания выемок различной формы.

3.5.1. Ламинарное обтекание выемки с присоединением потока.

3.5.2. Ламинарное течение без присоединения в выемке.

3.5.3. Турбулентное обтекание выемки.

ГЛАВА 4. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ГИДРОСОПРОТИВЛЕНИЯ И ТЕПЛООТДАЧИ.

4.1. Исследование локальной теплоотдачи в окрестности сферических выемок.

4.2. Гидросопротивление и теплоотдача в каналах с цилиндрическими выемками.

4.2.1. Гидросопротивление в каналах с цилиндрическими выемками.

4.2.2. Теплоотдача в каналах с цилиндрическими выемками.

4.2.3. Теплогидравлическая эффективность в каналах с цилиндрическими выемками и рекомендации по практическому использованию.

4.3. Результаты тепловизионного исследования локальной теплоотдачи в окрестности траншейных выемок.

В современных условиях и в перспективе одним из главных путей повышения экономичности энергоустановок является совершенствование тепло-обменного оборудования, реализовать которое можно с помощью внедрения эффективных способов интенсификации теплоотдачи. Наибольший интерес представляют поверхностные интенсификаторы, позволяющие значительно увеличить теплосъем при умеренном росте гидравлического сопротивления: спиральные и поперечные проволочные вставки и накатки различной конфигурации, микроребра, сферические, цилиндрические, конусообразные и иные выступы и выемки, шевронные штампованные поверхности и т.д. Основная отличительная особенность интенсификаторов данного вида - это воздействие на пограничный слой (обладающий наибольшим термическим сопротивлением) и его разрушение с последующей турбулизацией потока в пристенном слое. Искусственная турбулизация потока около поверхности приводит к возрастанию коэффициента теплоотдачи. А то обстоятельство, что основная масса потока остается при этом не затронутой турбулизаторами, не приводит к существенному росту гидравлического сопротивления. В этом случае можно говорить об опережающем росте теплоотдачи над гидравлическим сопротивлением, т.е. о высокой энергетической эффективности метода.

Повышение энергетической эффективности путем интенсификации теплообмена в каналах теплообменного оборудования способствует снижению металлоемкости за счёт уменьшения габаритов теплообменных аппаратов, а также улучшает эксплуатационные характеристики теплообменников. Весьма важно, что стоимость производства рациональных интенсификаторов теплообмена на стенках каналов (труб) теплообменников невысока и составляет лишь несколько процентов от стоимости каналов.

Вследствие повышенной турбулентности и вихреобразования в пристенной зоне уменьшается загрязнение поверхности. Скорость загрязнения интенсифицированного теплообменного оборудования уменьшается в 3-5 раз, что обеспечивает соответственное продление срока работы оборудования между чистками (или полное исключение чисток), а также снижение финансовых расходов на чистку.

Число публикаций по данной тематике непрерывно растет. Однако результаты этих исследований противоречивы. Выбор способа интенсификации не всегда обоснован и часто носит случайный характер.

С начала 80-х годов прошлого века особый интерес проявляется к способам пристенной (поверхностной) интенсификации теплообмена. Эти способы обладают важным преимуществом перед остальными - они имеют высокую энергетическую эффективность за счет турбулизации лишь пристенной области течения. Поток турбулизируется там, где имеет место максимальный поперечный градиент температуры. В результате этого затраты энергии на прокачку теплоносителя через тракт значительно сокращаются по сравнению с затратами при турбулизации всего потока.

Пристенные интенсификаторы теплообмена могут иметь различное конструктивное исполнение. Это цилиндрические, сферические, траншейные, призматические и др. выемки и выступы с поперечным, продольным, нормальным или наклонным положением на теплообменной поверхности. Однако принцип функционирования у них одинаков и основан на создании дискретно расположенных на поверхности локальных зон отрыва пограничного слоя. Эти отрывные пристенные течения способствуют обновлению пограничного слоя, увеличению его степени турбулентности.

В ряде теплообменных устройств широко используются способы пристенной интенсификации теплообмена, например, с помощью сферических выемок. Интерес к такому способу интенсификации теплообмена возрос после публикации результатов исследований Г.И. Кикнадзе с соавторами, в которых продемонстрирована высокая энергетическая эффективность системы нанесенных на поверхность канала сферических выемок. Авторы объясняли этот факт самоорганизацией в сферических выемках смерчеобразных вихревых структур. После опубликования Г.П. Нагогой, М.Я. Беленьким, В.И. Тереховым, Я.П. Чудновским, A.B. Щукиным положительных результатов использования систем сферических выемок в трактах охлаждаемых турбинных лопаток интерес к этому способу интенсификации теплообмена возрос еще больше.

Повышенный интерес к использованию сферических выемок в качестве интенсификаторов теплообмена в первую очередь связан с более ранним ламинарно-турбулентным переходом и более поздним отрывом потока на криволинейных поверхностях при их использовании. Обзоры исследований кар8 тины течения, гидросопротивления и теплоотдачи в каналах с одиночными сферическими выемками и их системами П.Н. Кубанского, Р. Снидекера и С. Дональдсона, Г.И. Кикнадзе, A.A. Александрова с соавторами, В.Н. Афанасьева и Я.П. Чудновского, К. Бивеса и др., П.Р. Громова, М.И. Рабиновича и др., Ю.Ф. Гортышова и др., B.C. Кесарева, А.П. Козлова и A.B. Щукина,

B.П. Почуева, A.B. Туркина, Э.Д. Сергиевского и др., А. Сударева и др., К. Пресера, Э.П. Волчкова, В.И. Терехова, C.B. Калининой и Ю.М. Мшви-добадзе, Г.П. Нагоги и Ю.М. Анурова, А.Б. Езерского и В.Г. Шехова, A.A. Халатова и др., Ф. Лиграни, Дж. Махмуда, М.Я. Беленького, М.А. Го-товского и др., Р. Банкера и К. Доннеллан, И. Шрадера, К.Л. Мунябина,

C.Ф. Баева, Н. Бурджесса, Х.-К. Муна и др., С. Муна и С. Лау, K.M.K. Чуй, X. Динга и др., Ю.И. Шанина и О.И. Шанина, A.B. Митякова, В.Ю. Митякова и др., Л.В. Арсеньева с соавторами, С. Хванга и X. Чо, Т. Гриффита и др., Ф. Жоу, С.А. Исаева и др., К. Йео, Б. Ху и З.Уонга, Д. Чаудхари и др., Дж. Парка, Т. Барбера и Э. Леонарди, Ф. Гренарда. В. Куинтилла-Ляройа, Э. Ляроше, В. Патрика и многих других показали, что нанесение рельефов из сферических выемок на плоские и цилиндрические поверхности при их продольном обтекании приводит к росту гидросопротивления от 1,25 до 2,5 раза в зависимости от геометрических параметров интенсификаторов, хотя имеются работы с ростом в 5-10 раз. Выявлено, что нанесение системы сферических выемок на цилиндрические поверхности при их поперечном обтекании несколько снижает гидросопротивление систем труб. Интенсификация теплообмена поверхностей с системами сферических выемок достигает 3,5 раз при турбулентном режиме течения основного потока. Однако в существующих работах имеются ограниченные результаты исследований касательно режимов течений, границы переходов режимов течения в каналах и на поверхностях со сферическими выемками даны только для течения воздуха и пр.

Также все большее внимание сегодня уделяется другим типам выемок (цилиндрическим и траншейным), имеющим более низкое по сравнению со сферическими выемками гидросопротивление при сопоставимых значениях прироста теплоотдачи. Результаты исследования теплоотдачи и гидродинамики при обтекании цилиндрических выемок изложены в работах К. Вигхарда, Е.М. Спэрроу, A.A. Халатова, С. Муна, М. Хивады, В.И. Терехова, Ф. Гренарда, Ф. Лиграни и др. Трехмерные траншейные выемки различной формы рассматривались в экспериментальных и расчетных работах

A.A. Халатова, С.А. Исаева, В.И. Терехова, Дж. Парка, Э.Д. Сергиевского, A.A. Титова, A.B. Воскобойника и др. Несмотря на накопленный объемный материал по исследованию осредненных и локальных характеристик гидродинамики и теплообмена в каналах с такими выемками, в литературе практически отсутствуют инженерные рекомендации и методики расчетного прогнозирования характеристик каналов и теплообменников в целом с данными видами интенсификаторов теплообмена, а имеющиеся данные об уровне интенсификации довольно противоречивы. Кроме того, результаты исследований справедливы преимущественно для сравнительно узких диапазонов определяющих параметров интенсификаторов и набегающего потока. В этом случае вставал вопрос: в каких случаях и при каких формах поверхности достигается интенсификация теплоотдачи?

Анализ научно-технической литературы доказывает, что для решения проблем интенсификации теплоотдачи необходимы комплексные расчетно-теоретические и экспериментальные исследования теплообмена и трения в дискретно-шероховатых каналах.

На основе проведенного обзора поставлена основная цель работы: разработка рекомендаций по определению режимов обтекания и расчету гидросопротивления и теплоотдачи, необходимых для создания теплогидравли-чески эффективного теплообменного оборудования на основе выявленных механизмов интенсификации теплоотдачи в каналах и на поверхностях с выемками различной формы.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие основные задачи:

1. Установить границы режимов течения в каналах с интенсификатора-ми теплообмена в виде сферических, цилиндрических и траншейных выемок.

2. Выявить и математически описать влияние основных режимных параметров и геометрии интенсификаторов на теплоотдачу и гидросопротивление в каналах с цилиндрическими выемками.

3. На основе экспериментальных данных дать основы физических моделей течения и теплообмена в каналах с цилиндрическими и траншейными выемками.

4. Провести сравнительный анализ интенсификаторов теплоотдачи по их теплогидравлической эффективности; выявить наиболее перспективные интенсификаторы и дать рекомендации по их оптимальным параметрам и рациональным режимам эксплуатации.

Работа выполнена с использованием экспериментальных методов исследования гидродинамики и теплообмена, в том числе тепловизионных исследований, саже-масляной визуализации и визуализации за счет подкрашивания теплоносителя и др.

По результатам работы сформулированы следующие основные выводы:

1. Впервые разработаны карты режимов обтекания траншейных и цилиндрических выемок и их систем. Доработана карта режимов обтекания сферических выемок и их систем путем учета данных для воды.

2. Уточнены физические модели обтекания сферических, цилиндрических и траншейных выемок. Установлено подобие процессов их обтекания.

3. Экспериментально выявлено и математически описано влияние основных режимных и геометрических параметров на гидравлическое сопротивление и теплоотдачу в каналах с цилиндрическими выемками с Ш=0,1-0,5 и ? =52 % при турбулентном отрывном режиме течения в диапазоне чисел Яе0=9 500-27 ООО. Максимальный рост теплоотдачи в таких каналах при ?=52 % и Ь/Б=48,7 составил 25 % при Ш=0,1 и до 75 % при Ш=0,5 при сопоставимом росте гидросопротивления.

Впервые получены обобщающие зависимости для расчета теплоотдачи и гидравлического сопротивления каналов с цилиндрическими выемками.

4. Определены коэффициенты локальной и средней теплоотдачи на поверхностях с одиночными и «шахматными» и «коридорными» рельефами из траншейных выемок при относительных глубинах выемок И/с1=0, 1-0,5 и различных углах поворота выемок по отношению к набегающему потоку Ф=0, 22, 45, 67, 90 Выявлено влияние угла наклона траншейных выемок к набегающему потоку на теплоотдачу. Установлено, что максимальная интенсификация теплоотдачи (на 60 % по сравнению с гладкой поверхностью) соответствует ф=67,5 ° при использовании «шахматного» рельефа выемок. Те-пловизионные исследования позволили обосновать механизмы интенсификации теплоотдачи при использовании траншейных выемок.

5. Обоснованы оптимальные условия использования исследованных ин-тенсификаторов теплоотдачи. Установлено, что наибольшая теплогидравличе-ская эффективность цилиндрических выемок при турбулентном режиме их обтекания в диапазоне чисел Ке0=12 500-27 000 составляет Е'тах=1,2-1,3 и соответствует значениям 11/с1=0,1 во всем исследованном диапазоне Ь/Е)=8,9-48,7.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Впервые получена карта режимов течения в каналах с цилиндрическими и траншейными выемками. Для сферических выемок ранее полученная карта режимов для воздуха дополнена данными для воды.

2. Уточнены физические модели течения и теплообмена в каналах с цилиндрическими и траншейными выемками.

3. Установлено и математически описано влияние режимных и геометрических параметров на гидросопротивление и теплоотдачу в каналах с цилиндрическими и траншейными выемками при турбулентном режиме течения.

4. Даны рекомендации для инженерного расчета теплообменных аппаратов с интенсификаторами в виде цилиндрических и траншейных выемок.

Достоверность и обоснованность результатов подтверждаются соответствующей точностью и тарировкой всех измерительных систем; выполнением ряда тестовых опытов и хорошим согласованием их результатов с работами других исследователей; использованием современных компьютерных аппаратных и программных средств для обработки данных; удовлетворительным согласованием расчетных и экспериментальных данных; соответствием полученных результатов физическим представлениям о процессах переноса в данном классе технических способов повышения тепловой эффективности теплообменного оборудования.

Полученные в работе результаты позволяют: на основе визуализации обтекания выемок различной формы и разработанных карт режимов оптимизировать аэродинамические характеристики тел обтекания, в том числе транспортных средств, а также определять режимы обтекания, на основе которых производится выбор расчетных формул для гидросопротивления и теплоотдачи; разрабатывать высокоэффективное теплообменное оборудование и системы охлаждения для энергетики, машиностроения, химической и пищевой промышленности и т.д. на основе полученных в работе зависимостей для расчета гидросопротивления и теплоотдачи в каналах и на поверхностях с выемками; повысить тепловую эффективность оборудования в 1,1-1,8 раза при соизмеримом росте гидросопротивления за счет применения исследованных в работе интенсификаторов.

Полученные результаты использованы в методиках расчета при создании нового теплообменного оборудования и систем охлаждения ОАО «Казанское ОКБ «Союз» (Казань), ООО «НПП «Тринити» (Казань), ООО «Энергия и эффективность» (Казань).

Основные результаты работы вошли в научно-технические отчеты по грантам РФФИ (№№ 09-08-00224-а, 10-08-00110-а, 11-08-00509-а), программы Министерства образования и науки РФ (госконтракты №2.1.2.5495, №2.1.2.12279, 14.740.11.0524) и др.

Полученные основные результаты диссертации докладывались и получили одобрение на Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» (Жуковский, 2009, Звенигород, 2011), V Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 2010), Международной молодежной конференции «Туполевские чтения» (Казань, 2009-2011), Межвузовском научно-практическом семинаре «Внутрика-мерные процессы в энергетических установках, акустика, диагностика, экология» (Казань, 2011), Всероссийской школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН В.Е. Алемасова «Проблемы теплома-сообмена и гидродинамики в энергомашиностроении» (Казань, 2009), IV и V Российской конференции «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках» (Москва, 2009, 2011), VI Международной научно-технической конференции «Авиация, наземный транспорт и энергетика» (Казань, 2011), на научно-технических семинарах кафедры ТОТ КНИТУ-КАИ (2009-2011).

По материалам диссертации опубликована 21 печатная работа, вклю- ' чая 7 статей в центральных российских изданиях (из списка ВАК РФ), 13 тезисов и материалов докладов, 1 статья в сборнике.

Автор выражает благодарность научному руководителю д.т.н., проф. И.А. Попову, заведующему кафедрой теоретических основ теплотехники, руководителю научной группы по интенсификации теплообмена, д.т.н., проф. Ю.Ф. Гортышову, д.т.н., проф. С.Э. Тарасевичу, к.т.н., доц. A.B. Щелчкову, к.т.н., доц. А.Б. Яковлеву, магистранту P.A. Ульяновой, инженерно-техническому персоналу: B.C. Колкунову, Р.К. Нурееву, B.C. Краснянскому и др. за консультации и помощь в организации и проведении экспериментальных исследований.

Основные результаты расчета погрешности экспериментальных результатов представлены в табл. 2.3.

Заключение

По результатам работы сформулированы следующие основные выводы:

1. Впервые разработаны карты режимов обтекания траншейных и цилиндрических выемок и их систем. Дополнена карта режимов обтекания сферических выемок и их систем.

2. Уточнены физические модели обтекания сферических, цилиндрических и траншейных выемок. Установлено подобие процессов их обтекания.

3. Экспериментально выявлено и математически описано влияние основных режимных и геометрических параметров на гидравлическое сопротивление и теплоотдачу в каналах с цилиндрическими выемками с Ш=0,1-0,5 и I=52 % при турбулентном отрывном режиме течения в диапазоне чисел Яео=9 500-27 ООО. Максимальный рост теплоотдачи в таких каналах при ?=52 % и 1Л)=48,7 составил 25 % при Ш=0,1 и до 75% при Ш=0,5 при сопоставимом росте гидросопротивления.

Для указанного диапазона режимных и геометрических параметров впервые получены обобщающие зависимости для расчета теплоотдачи и гидравлического сопротивления каналов с цилиндрическими выемками.

4. Определены коэффициенты локальной и средней теплоотдачи на поверхностях с одиночными и «шахматными» и «коридорными» рельефами из траншейных выемок при относительных глубинах выемок Ь/с1=0,1-0,5 и различных углах поворота выемок по отношению к набегающему потоку Ф=0, 22, 45, 67, 90 Выявлено влияние угла наклона траншейных выемок к набегающему потоку на теплоотдачу. Установлено, что максимальная интенсификация теплоотдачи (на 60 % по сравнению с гладкой поверхностью) соответствует ф=67,5 ° при использовании «шахматного» рельефа выемок. На основе тепловизионных исследований обоснованы механизмы интенсификации теплоотдачи при использовании траншейных выемок.

5. Обоснованы оптимальные условия использования исследованных интенсификаторов теплоотдачи. Установлено, что наибольшая теплогидрав-лическая эффективность цилиндрических выемок при турбулентном режиме их обтекания в диапазоне чисел Яе0=12 500-27 000 составляет Е'тах=1,2-1,3 и соответствует значениям 11/0=0,1 во всем исследованном диапазоне Ы)=8,9-48,7.

1. Александров A.A., Горелов Г.М., Данильченко В.П., Резник В.Е. Теплоотдача и гидравлическое сопротивление при обтекании поверхностей с развитой шероховатостью в виде сферических углублений // Пром. теплотехника. 1989. Т.11, №6. С.57-61.

2. Алемасов В.Е., Глебов Г.А., Козлов А.П. Термоанемометрические методы исследования отрывных течений/ КНЦ АН СССР. Казань, 1990. 178с.

3. Афанасьев В.Н., Веселкин В.Ю., Скибин А.П., Чудновский Я.П. Экспериментальное исследование течения в одиночных выемках на исходно гладкой поверхности теплообмена // Тепломассообмен ММФ-92. Тез. докл./ ИТМО АНБ. Минск; 1992. Т.1, ч. 1. С. 81-85.

4. Афанасьев В.Н., Леонтьев А.И., Чудновский Я.П. Теплообмен и трение на поверхностях, профилированных сферическими углублениями // Препринт МГТУ им. Н.Э. Баумана №1-90. М.: Изд-во МГТУ. 1990. 118с.

5. Афанасьев В.Н., Леонтьев А.И., Чудновский Я.П. Трение и теплообмен на поверхностях, профилированных сферическими углублениями М., 1990. 118с. -(Препринт / МГТУ им. Н.Э. Баумана, №1-90).

6. Афанасьев В.Н, Чудновский Я.П. Самогенерация вихрей как метод интенсификации теплообмена // Тепломассообмен ММФ: Минский международный форум. Минск. 1988. Ч. 1.- С. 8-9.

7. Афанасьев В.Н., Чудновский Я.П. Экспериментальное исследование структуры течения в одиночной впадине // Вестник МГТУ. Сер. Машиностроение. 1993. №1. С.85-95.

8. БабенкоВ.В., Воскобойник A.B., Воскобойник В.А., ТурикВ.Н. Профили скорости в пограничном слое над пластиной с углублением // Акустичний bîchhk. 2004. Т. 7, №3. С. 14-27.

9. Баев C.B. Судовые компактные теплообменники. Л.: Судостроение. 1965.324 с.

10. Бажан, П.И. Справочник по теплообменным аппаратам / П.И. Бажан, Г.Е.

11. Каневец, В.М. Селиверстов. М.: Машиностроение, 1989. 366 с.180

12. Беленький М.Я., Готовский М.А., Леках Б.М., Фокин Б.С., Долгушин К.С. Интенсификация теплообмена при использовании поверхностей, формованных сферическими лунками // Тепломассообмен ММФ-92. Т.1. 4.1. Минск: ИТМО им. A.B. Лыкова АНБ. 1992. с.90-93.

13. Беленький М.Я., Готовский М.А., Леках Б.М., Фокин Б.С., Хабенский В.Б. Экспериментальное исследование тепловых и гидравлических характеристик теплообменных поверхностей, формованных сферическими лунками // ТВТ. Т.29. №.6. 1991. с.1142-1147.

14. Власенко A.C., Сергиевский Э.Д. Интенсификация теплообменных процессов в аппаратах теплоэнергетики // Тезисы докладов 5-й научной школы-конференции «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики». Алушта. Украина. 2007.

15. Волчков Э.П., Калинина C.B., Матрохин И.П. и др. Некоторые результаты экспериментального исследования аэродинамики и теплообмена на поверхности с полусферическими кавернами // Сиб. физ.-техн. журн. 1992. Вып.5. С.3-9.

16. Воропаев Г.А., Воскобойник A.B., Воскобойник В.А., Исаев С.А. Визуализация ламинарного обтекания овального углубления // Прикладна пдромехашка, 2009.Т. 11, №4. С. 31-36.

17. Воскобойник A.B. Пассивное управление формированием вихревых структур внутри полуцилиндрического углубления // Bîchhk донецького нащонального ушверситету, Сер. А: Природнич1 науки, 2009, вип. 1. с. 173-182.

18. Гортышов Ю.Ф., Амирханов Р.Д., Попов И.А. Гидродинамика и теплообмен в щелевидных каналах со сферическими интенсификаторами // Труды второй Российской национальной конференции по теплообмену. Т. 6. Интенсификация теплообмена. М.: Изд. МЭИ, 1998.

19. Гортышов Ю.Ф., Олимпиев В.В. Теплообменные аппараты с интенсифицированным теплообменом. Казань: КГТУ им. А.Н. Туполева, 1999.

20. Гортышов Ю.Ф., Олимпиев В.В., Байгалиев Б.Е. Теплогидравлический расчёт и проектирование оборудования с интенсифицированным теплообменом. Казань: КГТУ им. А.Н. Туполева, 2004.

21. Гортышов Ю.Ф., Олимпиев В.В., Попов И.А. Эффективность промыш-ленно перспективных интенсификаторов теплоотдачи (Обзор. Анализ. Рекомендации) // Изв. РАН. Энергетика. 2002. № 3. С. 102 118.

22. Гортышов Ю.Ф., Попов И.А. Научные основы расчета и создания высокоэффективных компактных теплообменных аппаратов с рациональными интенси-фикаторами теплоотдачи // Теплоэнергетика, №4, 2006. С.2-14.

23. Дзюбенко Б.В., Кузма-Кичта Ю.А., Леонтьев А.И., Федик И.И., Холпанов Л.П. Интенсификация тепло- и массообмена на макро-, микро- и наномасштабах. М.: ФГПУ «ЦНИИАтоминформ», 2008. 532с.

24. Дьяченко А.Ю., Терехов В.И., Ярыгина Н.И. Теплообмен в поперечной траншее с наклонными стенками в турбулизированном потоке.

25. Езерский А.Б., Шехов В.Г. Визуализация потока тепла при обтекании уединённых сферических углублений //Механика жидкости и газа. 1989. № 6 С. 161164.

26. Исаев С.А., Леонтьев А.И., Баранов П.А. Идентификация самоорганизующихся смерчеобразных структур при численном моделировании турбулентного обтекания лунки на плоскости потоком вязкой несжимаемой жидкости // Письма в ЖТФ. 2000. Т. 26. Вып. 1. С. 30 36.

27. Исаев С.А., Леонтьев А.И., Баранов П.А., Пышный И.А. Численный анализ влияния на турбулентный теплообмен глубины сферической лунки на плоской стенке // ИФЖ. 2003. Т. 76. № 1. С. 52 59.

28. Исаев С.А., Леонтьев А.И., Баранов П.А., Пышный И.А., Усачев А.Е. Численный анализ вихревой интенсификации теплообмена в канале с пакетом глубоких сферических лунок на одной из стенок // Доклады РАН. Механика. 2002. Т. 386. №5. С. 621-623.

29. Исаев С.А., Леонтьев А.И., Кикнадзе Г.И., Кудрявцев H.A., Гачечилад-зе И.А. Сравнительный анализ вихревого теплообмена при турбулентном обтекании сферической лунки и двумерной траншеи на плоской стенки // ИФЖ. 2005. Т. 78. №4. С. 117-128.

30. Исаев С.А., Леонтьев А.И., Кудрявцев H.A., Баранов П.А., Жукова Ю.В. Интенсификация вихревого теплообмена в пакете поперечных труб с упорядоченными траншеями//ИФЖ. 2005. Т. 78, № 1. С. 112-122.

31. Кесарев B.C., Козлов А.П. Структура течения и теплообмен при обтекании полусферического углубления турбулизированным потоком воздуха // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Машиностроение. 1993. № 1. С. 106 -115.

32. Кикнадзе Г.И., Гачечиладзе И.А., Алексеев В.В. Самоорганизация смер-чеобразных струй в потоках вязких сплошных сред и интенсификация тепломассообмена, сопровождающая это явление. М.: Издательство МЭИ, 2005. 84с.

33. Кикнадзе Г.И., Гачечиладзе И.А., Олейников В.Г., Алексеев В.В. Механизмы смерчевой интенсификации тепломассообмена // Интенсиикация теплообмена: Труды Первой Рос. нац. конф. по теплообмену. Т.8. М.: Изд-во МЭИ, 1994. с.97-106.

34. Кикнадзе Г.И., Краснов Ю.К., Подымака Н.Ф., Хабенский В.Б. Самоорганизация вихревых структур при обтекании водой полусферической лунки // Докл. Академии наук СССР. 1986. Т.291. №6. с.1315.

35. Кикнадзе Г.И., Олейников В.Г. Самоорганизация смерчеобразных вихревых структур в потоках газов и жидкостей и интенсификация тепло- и массообме-на // Институт теплофизики СО РАН. Препринт 227-90. Новосибирск, 1990.

36. Кубанский П.Н. Поведение резонансной системы в потоке // Журнал технической физики.- 1957.- Т.27.- № 1.- С. 180-188.

37. Лаборатория термодинамики и аэрогидродинамики ИТФ им. С.С. Кутателадзе СО РАН. Автоколебания и теплообмен в сферической каверне при вариации динамических условий. www.itp.nsc.ru/Laboratory/Lab22.

38. Леонтьев А.И., Олимпиев В.В., Днлевская Е.В., Исаев С.А. Существо механизма интенсификации теплообмена на поверхности со сферическими выемками // Изв. РАН. Энергетика. 2002. №2. С.117.

39. Маскинская А.Ю. Повышение эффективности теплообменных аппаратов за счет интенсификации теплообмена на поверхности с лунками // Дисс. канд. техн. наук.- Москва: МЭИ. 2004.

40. Мостинский И.Л., Гешеле В.Д., Горяинов Д.А., Раскатов И.П. Теплоотдача от поверхности со сферическими впадинами при кипении воды и паровой смеси в закризисной области // ИФЖ. 2001. Т. 74. № 3. С. 13 19.

41. Мунябин К.Л. Эффективность интенсификации теплообмена углублениями и выступами сферической формы // Теплофизика и аэромеханика, 2003. Т. 10, № 2, с. 235-247.

42. Нагога Г.П. Эффективные способы охлаждения лопаток высокотемпературных газовых турбин. М.: МАИ, 1996.

43. Нагога Г.П., Ануров Ю.М. Результаты модельных и натурных исследований интенсификации "смерчевым" способом // Тезисы докл. II Республ. конф. "Совершенствование теории и техники тепловой защиты энергетических устройств" Киев, 1990. С.25-26.

44. Научные основы расчёта высокоэффективных компактных теплообменных аппаратов с рациональными интенсификаторами теплоотдачи/Ю.Ф. Гортышов, И.А. Попов // Теплоэнергетика. 2006. № 4. С. 2 15.

45. Обзор результатов исследований интенсификации теплообмена сферическими выемками по российским публикациям / А.В.Щукин Казань: КГТУ им. А.Н. Туполева. 1997.

46. Олимпиев B.B. Поверхности теплообмена с интенсифицированной теплоотдачей и пониженным сопротивлением // Изв. вузов. Авиационная техника. 2000. № 3. С. 42.

47. Олимпиев В.В. Расчетное и опытное моделирование теплоотдачи и гидросопротивления дискретно шероховатых каналов теплообменного оборудования. Дисс. докт. техн. наук. Казань: Казан, филиал МЭИ, 1995. 475 с.

48. Попов И.А. Физические основы и промышленное применение интенсификации теплообмена. Интенсификация теплообмена: монография / И.А. Попов, Х.М. Махянов, В.М. Гуреев; под общ. ред. Ю.Ф. Гортышова. Казань: Центр инновационных технологий, 2009. - 560 с.

49. Почуев В.П., Луценко Ю.Н., Мухин A.A. Теплообмен в охлаждаемых лопатках высокотемпературных газовых турбин // Труды Перв. Рос. Нац. Конф. по теплообмену. М.: Изд-во МЭИ; 1994. Т.8. С. 178-183.

50. Рождение уединённых вихрей при обтекании мелких сферических углублений / П.Р. Громов, А.Б. Зобнин, М.И. Рабинович, М.М. Сущик // Письма в ЖТФ. 1986. Т. 12. Вып. 21. С. 1323 1329.

51. Снидекер Р., Дональдсон К. Исследование течения с двумя устойчивыми состояниями в полусферической каверне//Ракетная техника и космонавтика. 1966. №4. С. 227-228.

52. Справочник по теплообменникам: в 2 т. Т. 1 /Пер. с англ., под ред. Б.С. Петухова, В.К. Шикова. М.: Энергоатомиздат, 1987 г. 560 с.

53. Существо механизма интенсификации теплообмена на поверхности со сферическими выемками / А.И. Леонтьев, В.В. Олимпиев, Е.В. Дилевская, С.А. Исаев // Изв. РАН. Энергетика. 2002. № 2. С. 117 135.

54. Теория и техника теплофизического эксперимента. 2-е изд., перераб. и доп./ Ю.Ф. Гортышов, Ф.Н. Дресвянников, Н.С. Идиатуллин и др.; Под ред. В.К. Щукина. - М.: Энергоатомиздат, 1993. - 448 с.

55. Теплогидравлическая эффективность использования сфероидальных выемок для интенсификации теплоотдачи в каналах / И.А. Попов, Ю.Ф. Гортышов,

56. В.В. Олимпиев, A.B. Щелчков // Материалы докладов и сообщений V Минского ме185ждународного форума по тепло- и массообмену. Секция 1. Минск: ИТ-МО им. A.B. Лыкова. НАНБ. 2004.

57. Терехов В. И. Проблемы теплообмена в отрывных течениях // РНКТ-2006: труды четвёртой российской национальной конференции по теплообмену. Москва, Россия, 23-27 октября 2006. М. : Изд-во МЭИ. - 2006. - Т. 1. - С. 103 - 111.

58. Терехов В.И., Калинина C.B., Мшвидобадзе Ю.М. Поле давлений и сопротивление одиночной лунки с острыми и скругленными кромками // ПМТФ. 1993. №3. С.40.

59. Терехов В.И., Калинина C.B., Мшвидобадзе Ю.М. Теплоотдача от сферической лунки, расположенной в следе другой лунки// Теплофизика и аэромеханика.-2001.-Т. 8,-№ 2.-С. 237-242.

60. Терехов В.И., Калинина C.B., Мшвидобадзе Ю.М. Экспериментальное исследование развития течения в канале с полусферической каверной // Сибир. физ.-техн. журн. 1992. Вып. 1. С. 77 86.

61. Терехов В.И., Ярыгина Н.И. Вихреобразование и теплообмен в отрывных потоках за различными преградами // Тепловые процессы в технике. 2009. Т.1. №4. С. 122-130.

62. Терехов В.И., Яригины Н.И., Дьяченко А.Ю., Шапорин A.B. Особенности вихреобразования и теплообмена в трехмерных поперечных траншеях.

63. Титов A.A. Экспериментальное исследование влияния поверхностных углублений на теплообмен и сопротивление в потоке сжимаемого газа. Автореферат дисс. канд. техн. наук. Москва: ФЭД+, 2010. 18 с.

64. Туркин A.B., Сорокин А.Г., Брагина О.Н. Яковлева Н.Н„ Алешина И.Б. Экспериментальное исследование влияния переменности физических свойств газа на теплоотдачу поверхности покрытой лунками. // Минский международный форум

65. ММФ-92. Т.1.4.1. Минск: ИТМО им.А.В.Лыкова. 1992. С.202-206.186

66. Халатов A.A. Теплообмен и гидродинамика около поверхностных углублений (лунок). Киев: ИТТФ HAH Украины, 2005.

67. Численное моделирование вихревой интенсификации теплообмена в пакетах труб:/ Ю.А. Быстрое, С.А. Исаев, H.A. Кудрявцев, А.И. Леонтьев. СПб.: Судостроение, 2005. - 392 с.

68. Шанин Ю.И., Шанин О.И. Интенсификация теплоотдачи нанесением сферических лунок на стенки каналов // Конвективный тепломассообмен. Материалы Минского международного форума ММФ-2004. Минск: ИТМО им. A.B. Лыкова АНБ. 2004.

69. Шанин Ю.И. Экспериментальное исследование интенсификации теплоотдачи в плоском канале с лунками // Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках: Тезисы докладов Второй Росс, конференции. М.: Изд-во МЭИ, 2005. С.47-48.

70. Шрадер И.Л., Дашчян А,А., Готовский М,А. Интенсифицированные трубчатые воздухоподогреватели // Теплоэнергетика. № 9. 1999. с.54-56.

71. Щукин A.B., Козлов А.П., Агачев P.C., Чудновский Я.П. Интенсификация теплообмена сферическими выемками при воздействии возмущающих факторов / Под ред. акад. В.Е. Алемасова. Казань: Изд-во Казан, гос. техн. ун-та,2003. 143 с.

72. Эффективные интенсификаторы теплоотдачи для ламинарных (турбулентных) потоков в каналах энергоустановок / А.И. Леонтьев, Ю.Ф. Гортышов, В.В. Олимпиев, И.А. Попов // Изв. РАН. Энергетика. 2005. № 1.С. 75-91.

73. Borisov I., Khalatov A., Kobzar S., Glezer В. Comparison of thermal-hydraulic characteristics for two types of dimpled surfaces. ASME Paper № GT2004-54204, 2004.

74. Bunker R.S., Donnellan K.F. Heat Transfer and Friction Factors for Flows Inside Circular Tubes with Concavity Surfaces. Proceedings of ASME Turbo Expo 2003. Power for Land, Sea, and Air. Paper GT2003-38053. Atlanta, USA. 2003. 13p.

75. Burgess N.K., Ligrani P.M. Effects of dimple depth on Nusselt numbers and friction factors for internal cooling in a channel. Paper GT2004-54232. Proceedings of Turbo Expo 2004: Power for land, sea and air. Vienna, Austria. 2004.

76. Chyu M.K., Yu Y., Ding H., Downs J.P. Soechting F.0. Concavity enhanced heat transfer in an internal cooling passage. // ASME Paper No. 97-GT-437. ASME 42nd International Gas Turbine and Aeroengine Congress and Exposition, Orlando,US A, 1997. 7p.

77. J.E. Dees, D.G.Bogard, R.S.Bunker. Heat Transfer Augmentation Downstream of Rows of Various Dimple Geometries on the Suction Side of a Gas Turbine Airfoil // J.Turbomach. 2010. Vol.132, N3.

78. Ekkad S., Je-Chin Han. Heat Transfer Inside and Downstream of Cavities Using Transient Liquid Crystal Method // Journ. of Thermophysics and Heat Transfer.-1996.- V.10.- №3.- P. 511-516.

79. Grenard Ph., Quintilla-Larroya V., Laroche E. Numerical study of heat transfer on a dimpled surface with CEDRE code. 2nd European conference for aerospace sciences. 2007. 12 p.

80. Griffith T. S., Al-Hadhrami L, and Han, J. C. Heat Transfer in Rotating Rectangular Cooling Channels (AR=4) with Dimples // Journal of Turbomachinery, Vol. 125, 2003. pp. 555-564.

81. Heat transfer measurements for smooth and rough tilted semi-cylindrical cavities. Center of Research for Experimental Thermal Sciences, Mechanical Engineering Department, College of Engineering and Petroleum, Kuwait University. 2001.

82. Hiwada M., Kawamura Т., Mbuch J., Kumada M. Some Characteristics of Flow Pattern and Heat Transfer Past a Cylindrical Cavity // Bulletin ISME.- 1983.- V.26.-No 220.- P.-1744-1758.

83. Hwang S.D., Cho H.H. Heat transfer enhancement of internal passage using dimple/protrusion. Paper THE-24.

84. Sparrow E., Misterek D. Mass Transfer at the Base of a Cylindrical Cavity Recessed in the Floor of a Flat Duct // Journal of Heat Transfer.- 1986.- V.108.- No 4.- P. 112.

85. Wighardt K. Erhöhung des Turbulenten Reibungswidestandes Durch Oberflächen-Störungen // Forschungshefte fur Schiffstechnik.- 1953.- № 1.- P. 65-81.

86. Общество с ограниченной ответственностью

87. Научно-производственная фирма1. Энергия и Эффективность»ул. Карла Маркса, 10, г. Казань, республика Татарстан, Россия, 420111 тел. (843) 292-24-02, факс (843) 292-2402e-mail: market@ereserch.ru1. ОТ № ttjtfrf N*J£1. Ntот1. Г 1

88. АКТ О ВНЕДРЕНИИ результатов диссертационной работы Рыжкова Д.В. на соискание ученой степени кандидата технических наук в ООО НПФ «Энергия и эффективность»

89. ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО

90. КАЗАНСКОЕ ОПЫТНОЕ КОНСТРУКТОРСКОЕ БЮРО «СОЮЗ» (ОАО «Казанское ОКБ «Сок»»)ул. Дементьева, д. 1, г. Казань, 420036 Телефон: (843) 571-31-70, 571-34-77 Факс; (843) 571-34-88 E-mail: kazan-soyuz @ i-set.ru

91. И.Х. Белицкая А.О. Кочетков

92. Первый заместител Главного конструкт

93. Начальник отдела тепл гидродинамических расчет1. Начальник бригады, к.т.

94. ООО «НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ «ТРИНИТИ»420111, КАЗАНЬ, УЛ.Р.ЯХИНА, 4 тел. (843) 231-01-56, факс (843) 238-55-50 E-mail: ooo-trinitv@vandex.ru ОКПО 66629567 ОГРН 1101690026448 ИНН/КПП 1655193002/ 165501001i3 \ож № г-к1. На №от

95. Акт о внедрении результатов диссертационной работы Рыжкова Д.В. в ООО «НПП «Тринити»

96. ПЯТАЯ РОССИЙСКАЯ НАЦИОНАЛЬНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ ПО ТЕПЛООБМЕНУ1. ЦШ МММ1. V ■1.: ■ ¡ÄМ

97. Попов И.А., Щелчков A.B., Рыжков Д.В., Ульянова P.A. (Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева)за доклад

98. Вихреобразование в отрывных потоках на поверхностях с углублениями различной формы»

99. Председатель Президиума Пятой Российской национальной конференциипо теплообмену --/' / —академик РАН ' ' ' -^^^y^-^AJi. Леонтьев1. Москва 2010 г.

100. Академия шук Республики lamapcmaN Министерства образования и науки Республики Татарстан

101. Федеральмое государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образованияказанский национальный исслщсштаский

102. ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им АН ТУПОЛЕВА-киту каи1.Организационный комитет

103. Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева КАИза высокий научный уровень представленного доклада

104. Гидродинамика и теплоотдача при отрывных течениях в каналах с углублениями различной формы»

105. Предсп\1тть 0{)гк(мит ста,ректор Ümi V КЛМю,ф. гпртышов

106. Казань, 12-14 октября 20511. Ш»ттм%ш> тототш

107. Организационный комитет международной мсюцежнсй научной конференции1. НАГРАЖДАЕТ

108. Магистранта Казанского государственного технического университета им. АЛ. Туполева

109. Рыжкова Дениса Владимировичаза высокий научный уровень представленного докладар-хгор МТУ И»» Л.Н. »,ч >" >' ц 4 ю.о. гоэгь!,.иозг. (ша».