Гидродинамика и теплоотдача при внешних и внутренних свободноконвективных вертикальных течениях с поверхностными интенсификаторами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

На правах рукописи

УСЕНКОВ РОМАН АНАТОЛЬЕВИЧ

ГИДРОДИНАМИКА И ТЕПЛООТДАЧА ПРИ ВНЕШНИХ И ВНУТРЕННИХ СВОБОДНОКОНВЕКТИВНЫХ ВЕРТИКАЛЬНЫХ ТЕЧЕНИЯХ С ПОВЕРХНОСТНЫМИ ИНТЕНСИФИКАТОРАМИ

I V

Специальности:

01.04.14 - теплофизика и теоретическая теплотехника 01.02.05 - механика жидкости, газа и плазмы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

К"

Казань 2003

Работа выполнена на кафедре теоретических основ теплотехники Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Гортышов Ю.Ф.

Научный консультант - кандидат технических наук, доцент Попов И. А.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Щукин А.В.

кандидат технических наук, доцент Аляев В.А.

Ведущая организация - Производственное энергетическое объединение «Татэнерго», инженерный центр «Энергопрогресс»

Защита состоится /с^Л^Аа. 2003г. в часов на заседании диссертационного совета Д 212.079.02 при Казанском государственном техническом университете им. А.Н. Туполева по адресу: 420111, г. Казань, ул. К. Маркса, 10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технического университета им. АЛТуполева.

Автореферат разослан 2 ^ 2003г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук,

Доцент ^О^^р -7 А.Г.Каримова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В последние годы заметно повысился интерес исследователей к изучению внешних и внутренних свободноконвективных течений на вертикальных поверхностях и в вертикальных плоских каналах.

Известно, что свободноконвективное течение характеризуется небольшими значениями коэффициентов теплоотдачи, поэтому широкое использование свободноконвективных течений в технике связано в основном с применением интенсификаторов теплоотдачи. Количество движения при свободной конвекции ограничено и определяется только подъемной силой . Вследствие этого, при свободной конвекции целесообразно использовать поверхностные способы интенсификации теплоотдачи, характеризующиеся малым гидравлическим сопротивлением.

Дискретно установленные выступы на нагреваемой поверхности - это один из способов интенсификации теплообмена в условиях свободной конвекции. В работе Т. Фуджи и М. Такеши экспериментально изучено влияние дискретной шероховатости поверхности вертикального цилиндра в виде повторяющихся ребер, случайно расположенных выступов и часто расположенных пирамид на теплоотдачу при свободной конвекции воды и машинного масла и было установлено, что дискретная шероховатость поверхности оказывает небольшое влияние на местный коэффициент теплоотдачи при турбулентном режиме течения теплоносителя. В работе А. Берглса экспериментально исследована местная теплоотдача на макроскопично шероховатой поверхности в виде повторяющихся ребер и уступов при свободной конвекции воздуха в неограниченном объеме и было найдено, что в целом шероховатые поверхности интенсифицируют теплоотдачу, и максимальное увеличение среднего коэффициента теплоотдачи составило 23,2 % при отношении шага к высоте выступов Т/Н = 16. В работе ОГ. Мартыненко представлены результаты исследования течения и теплообмена на вертикальной поверхности при наличии одного, двух и трех выступов и получена оптимальная взаимосвязь между уровнем интенсификации теплоотдачи и геометрией поверхности - высотой Н и расстоянием § между выступами. Установлено, что для рассматриваемых в работе условий оптимальное соотношение Б/Н равно 1...3.

В целом же работ по исследованию течения и теплообмена на вертикальных дискретно шероховатых поверхностях и в вертикальных дискретно шероховатых каналах очень мало, а часто их выводы противоречивы. Таким образом необходимы более обширные и систематические исследования с целью получения информации о режимах течения и расчетных зависимостях для определения коэффициентов теплоотдачи на вертикальных поверхностях и в вертикальных плоских каналах в условиях свободной конвекции.

Цель работы - исследование процессов течения и теплообмена на вертикальных поверхностях и в вертикальных плоских каналах с интенсификаторами при свободной ламинарной конвеЬ^д^га^цд^ц дц^цсд

Конкретными задачами исследования являлись: I БИБЛИОТЕКА

1. Определение режимов течения на вертикальных поверхностях и в вертикальных плоских каналах с различными интенсификаторами теплообмена и влияние на режимы течения конструктивных параметров вертикальных пластины и канала.

2. Исследование возможности интенсификации теплообмена на вертикальных поверхностях и в вертикальных плоских каналах при свободной конвекции с помощью дискретной шероховатости в виде поперечных выступов при ламинарном режиме течения.

3. Изучение механизмов интенсификации теплоотдачи на вертикальных дискретно шероховатых поверхностях и в вертикальных плоских дискретно шероховатых каналах при свободной ламинарной конвекции газа.

4. Исследование местной и средней теплоотдачи на интенсифицированных вертикальных поверхностях и в вертикальных плоских каналах с интенсификаторами при свободной конвекции газа. Определение влияния на местную и среднюю теплоотдачу режимных и конструктивных параметров выступов и его обобщенное представление.

5. Математическое описание процессов переноса при свободной конвекции на вертикальных дискретно шероховатых поверхностях и в вертикальных плоских дискретно шероховатых каналах. Апробация математической модели.

Научная новизна:

1. Разработан экспериментальный, стенд для исследования течения и теплоотдачи на вертикальных поверхностях и в открытых вертикальных плоских каналах с дискретными поперечными выступами.

2. Получены обобщающие зависимости для расчета местных и средних коэффициентов теплоотдачи при свободноконвекгавном течении теплоносителя на вертикальных поверхностях и в открытых вертикальных плоских каналах с дискретными поперечными выступами.

3. Предложена и апробирована математическая модель расчета течения и теплоотдачи при обтекании выступов в дискретно шероховатых каналах ламинарным потоком.

Практическая ценность и реализация: Основные результаты работы могут быть использованы, например, при проектировании отопительных приборов, радиоэлектронного и электротехнического оборудования и ядерных реакторов с пассивным охлаждением.

Личный вклад автора в работу: автором разработан экспериментальный стенд, проведены эксперименты, расчеты, обработаны и проанализированы полученные данные, выполнено обобщение полученных результатов, разработана физическая модель.

Публикации: по теме диссертации опубликовано 5 печатных работ.

Структура и объем работы: работа состоит из введения, трех глав и списка использованных источников. Работа изложена на 138 страницах маши-

в, 4 таблицы. Список использованных

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой проблемы и формулируется цель исследования, изложены основные научные результаты и положения, которые выносятся на защиту.

В первой главе проанализировано современное состояние вопроса по исследованию внешних и внутренних задан теплообмена и гидродинамики при свободной конвекции и сформулированы задачи настоящего исследования. Проведенный анализ покатал, что в настоящее время:

- свободноконвективные вертикальные течения широко применяются при проектировании теплоэнергетического оборудования (в отопительных приборах, сухих градирнях на естественной тяге, грунтовых термосифонных системах, ядерных реакторах с пассивным охлаждением, радиоэлектронном и электротехническом оборудовании, в строительстве и так далее);

- приемы интенсификации теплоотдачи можно подразделить на пассивные (не требующие непосредственных затрат энергии извне) и активные (которые требуют прямых затрат энергии от внешнего источника);

- попытеи проанализировать и обобщил, имеющийся материал по теплообмену и течению на вертикальных поверхностях и в вертикальных каналах с интенсификаторами, в основном в виде ребер и поперечных выступов, при свободной конвекции, представлены в работах О.Г. Мартыненко, В. Аунга, Дж. Танда, А. Берглса, С. Шакерина, Т. Фуджи, Се, Коддви, В. Шу, С. Сайда и других;

В конце первой главы дана постановка задач исследования.

Во второй главе представлено описание экспериментального стенда, разработанного и изготовленного в соответствии с требованиями поставленных задач; даются методики проведения экспериментальных исследований и обработки результатов измерений с последующим расчетом их погрешности; также представлены результаты исследования течения и теплоотдачи на вертикальных гладких поверхностях и в вертикальных гладких плоских каналах, полученные во время проведения тестовых опытов;

Стенд состоит из рабочего участка, электрической системы нагрева и системы измерений.

Рабочий участок №1 представляет собой вертикально расположенную асбестовую плиту (шириной - 510 мм, длиной - 1000 мм и толщиной 15 мм), на которой, поверх асбестового полотенца, закреплена стальная пластина (шириной Ь = 360 мм, длиной I, = 1000 мм и толщиной 5 = 0,3 мм). В ходе экспериментального исследования течения и теплообмена на вертикальной поверхности реализовывался омический нагрев пластины.

Исследования выполнялись как на гладкостенной вертикальной пластине, так и на пластине имеющей интенсификаторы теплообмена в виде дискретно установленных выступов, которые фиксировались на вертикальной поверхности с помощью прижимных текстолитовых стержней прямоугольного сечения, которые располагались по периметру пластины.

В качестве выступов использовались дюралюминиевые стержни

прямоугольного сечения шириной а = 5,1 мм и высотой Н = 4,1 мм. Выступы устанавливались со следующими шагами Т относительно друг - друга: 8, 12, 20, 41, 83, 166, 333 мм, что позволило получить диапазон изменения относительных шагов Т/Н = 2.. .80.

Рабочий участок №2 представляет собой плоский канал образованный двумя вертикально расположенными асбестовыми плитами (шириной - 510 мм, длиной - 1000 мм и толщиной 15 мм), на внутренней стороне одной из которых, поверх асбестового полотенца, закреплена стальная пластина (шириной Ь = 360 мм, длиной Ь = 1000 мм и толщиной 6 = 0,3 мм). Высота канала В (расстояние между стенками) изменялось от 15 мм до 60 мм с шагом 15 мм. В ходе экспериментального исследования течения и теплообмена в вертикальном плоском канале реализовывался омический односторонний нагрев пластины.

Исследования выполнялись как в гладкостенном плоском вертикальном канале при одностороннем нагреве, так и в канале, имеющем интенсификаторы теплообмена в виде дискретно установленных выступов, которые фиксировались внутри вертикальной поверхности канала с одной его стороны с помощью прижимных текстолитовых стержней.

В качестве выступов использовались дюралюминиевые стержни прямоугольного сечения шириной а = 5,1 мм и высотой Н = 4,1 мм. Выступы устанавливались со следующими шагами Т относительно друг - друга: 41, 83, 166, 333 мм, что позволило получить диапазон изменения относительных шагов Т/Н = 10...80.

Тестовые опыты проводились на гладкой вертикальной пластине длиной Ь = 1000 мм и шириной Ь =360 мм в следующем диапазоне изменяющихся параметров: 11ах =(3гх -Рг= 7,6-104...4,5-109; Яа* =<Згх-№х-Рг = 8ряжР2срх4/^2= 3,М05...1,4-1012; Рг=0,7;

qи =12,54...440,07 Вт/м2; =6,8...48,5°С.

Во всем диапазоне изменения чисел Рэлея визуализация потока показала, что по всей длине поверхности формируется ламинарный пограничный слой. При этом диапазон изменения числа Яах также характерен для ламинарных течений.

Проведено сравнение экспериментальных данных по местной теплоотдаче на вертикальной гладкой пластине с данными Чарчиля и Гебхарта. Расхождение данных не превышало ±10%.

Тестовые опыты проводились также в вертикальном гладком плоском канале длиной Ь = 1000 мм, шириной Ь = 360 мм при одностороннем нагреве, причем высота канала В (расстояние между стенками) изменялась от 15 мм до 60 мм с шагом 15 мм. Эксперименты проводились в-следующем диапазоне

0 . _ « О рР(17-10)Б4 , изменяющихся параметров: Ка0 =иг0 Рг— =---=5,МО ...

Ь LX.fi

5,4-Ю5; Rag = GrB -N^-lA gP"CPP^B' = 13,3,„l,3-106;

L ЬАгц

Rap =GrD Nu^ Pr- —= = 3,4 102...1,9 107;

L LXrn

R^d = Ri • - = ^^ = 14...347,9; Pr =0,7; q„ = 4,54...460,5 Вт/м2;

L цЬ

i7-t0 =6,8...53,3°C; L/B = 16,66...66,66.

Проведенная визуализация показала, что в вертикальном канале реализовывались как ламинарный, так и переходный, и частично турбулентный режимы течения. Это, впоследствии, было подтверждено и характером влияния чисел Raj, на теплоотдачу в вертикальном гладком канале.

Проведено сравнение экспериментальных данных по средней теплоотдаче в гладком вертикальном канале с данными Бар - Коэн, Вирц, Раманатхан, Азеведо, Чарчиль. Расхождение данных не превышает ± 20 %, что говорит о надежности рабочей установки.

При свободной конвекции существует взаимосвязь между подъемной тепловой силой, выраженной через RaD и скоростью потока, выраженной

через Re^. Такая зависимость, выраженная как Re^ = f(Rap), была получена для гладкого вертикального канала с односторонним нагревом:

Rei^ = 0,68 • (Raj, )0'479. (1)

Полученная зависимость (1) показывает, что скорость потока в канале с односторонним нагревом на 40 % ниже, чем в каналах с двухсторонним нагревом, что связано с тем, что поток теплоносителя нагревается лишь с одной стороны вертикального плоского канала.

Обобщение экспериментальных данных по местной теплоотдаче на гладкой вертикальной пластине производилось по уравнению подобия: Nux=f(Ra*), где в качестве определяющей температуры использовалась температура окружающего воздуха t„.

Полученная в ходе обобщения зависимость для гладкой вертикальной поверхности при свободной конвекции газа в условиях qw = const имеет вид:

Nux =0,245-(Raj)0-239, (2)

и справедлива в диапазоне чисел Ra*= 3,1-Ю5... 1,4-1012 с погрешностью ±20 % при доверительной вероятности 0,95. За определяющую температуру здесь принята температура окружающего воздуха t0.

Обработка экспериментальных данных по средней теплоотдаче в вертикальном гладком плоском канале с односторонним нагревом была выполнена в виде уравнения подобия Nub =f(Rag), где в качестве определяющего размера выбиралась высота канала В, а в качестве

определяющей температуры использовалась температура теплоносителя на входе в канал tu.

Результаты экспериментальных исследований средней теплоотдачи во всем диапазоне изменяемых параметров для гладкого вертикального канала были обобщены зависимостью:

№,7 = 0,286-(Ra*)lU8, (3)

которая справедлива в следующем диапазоне определяющих параметров L/B-16,66...66,66; Raf,=13,3...1,3-106; Рг=0,7. Данная зависимость описывает экспериментальные результаты с точностью ± 20 % при доверительной вероятности 0,95.

В третьей главе представлена физическая модель интенсификации теплообмена на дискретно шероховатых поверхностях и в дискретно шероховатых каналах при свободной конвекции газа, приведены результаты экспериментальных исследований теплоотдачи при внутренних и внешних вертикальных свободноконвективных течениях газа на дискретно шероховатых поверхностях, а также приведена математическая модель для расчета теплоотдачи в каналах с выступами при ламинарном течении.

Дли вертикальных плоских дискретно шероховатых каналов, с

односторонним нагревом зависимость Re^ = f{Ra ^) имеет такой же вид (с точностью ±3 %), что и для гладких каналов, поэтому для расчета скорости в интенсифицированном канале можно использовать зависимость (1).

Установлено, что структура вихревых зон между турбулизаторами при свободной конвекции аналогична структуре вихревых зон в условиях вынужденного течения. Эта аналогия процессов • дает возможность утверждать об аналогии и других процессов переноса в вихревых зонах между турбулизаторами при свободной и вынужденной конвекции. Однако вследствие различия в механизмах возникновения свободного и вынужденного течения могут проявляться характерные особенности.

Сделанные выводы о структуре обтекания выступов подтверждаются результатами визуализации проведенных в исследовании, которые представлены на рисунке 1.

Автором установлены картины течения на пластине с ингенсификаторами, которые представлены на рис.1 (а) и (б). Визуализация картины течения вдоль вертикальной поверхности пластины производилась с помощью дыма. Для генерации дыма использовался известный метод нагретых проволочек с машинным маслом. Картина течения фиксировалась с помощью цифровой фотокамеры Olimpus C-820L. Представленные фотографии являются выборкой более чем из 60 опытов. Данные, полученные по визуализации потока и области Т/Н, в которой наблюдается максимальная теплоотдача на пластине, полностью совпадают с данными О.Г. Мартыненко, согласно которым при Т/Н = 20...80 возникает отрыв динамического пограничного слоя, сопровождающийся возникновением в

отрывной области циркуляционного течения, состоящего из двух противоположно вращающихся вихрей. При Т/Н - 2... 10 возникающее вихревое течение в области между выступами интенсифицирует процесс теплообмена между пластиной и окружающей средой.

Установлены распределения местных коэффициентов теплоотдачи между выступами на вертикальной дискретно шероховатой поверхности, которые показаны на рис.1 (а) и (б). Представлены случаи с образованием одинарного вихря между выступами и зоной рециркуляции и присоединением потока.

На основе анализа распределения местных коэффициентов теплоотдачи также могут быть сделаны выводы о структуре обтекания потоком воздуха дискретно шероховатой поверхности. На рис.1 (а) и (б) представлены схемы структуры вихревых зон между турбулизаторами в безградиентном пограничном слое в зависимости от величины относительного шага Т/Н при вынужденной конвекции.

В первом случае (рис.1 (а)) возникают большой вихрь В, а также два небольших вихря А и А .

Во втором случае (рис. 1(6)) появляется зона рециркуляции и присоединение потока.

Эксперименты проводились на вертикальной пластине длиной L = 1000 мм и шириной b =360 мм, имеющей интенсификаторы теплообмена в виде дискретных поперечных выступов высотой Н = 4,1 мм, в следующем диапазоне изменяющихся параметров: Ra* =Grx -Nux -Pr = gßqwp2cpx4/цА.2=5,76-Ю5...1,53-Ю12; Pr=0,7;

qw =24,45...497,51 Вт/м2; t~-t0 =4,45...42,17°C; T/H-2...80; S/H = 0,6...6.

На рис.2 показаны влияние местного модифицированного числа Рэлея Ra* и уровень интенсификации местной теплоотдачи на вертикальных дискретно шероховатых поверхностях. Рассмотрев рис.2 можно сделать вывод о том, что наличие на вертикальной пластине дискретно установленных выступов приводит к увеличению теплоотдачи при ламинарном режиме примерно в 1,03...2,79 раза по сравнению с гладкой вертикальной пластиной. Уровень теплоотдачи зависит от относительного шага выступов. Максимальные значения интенсифицированной теплоотдачи на дискретно шероховатых поверхностях во всем диапазоне чисел Ra приходятся на Т/Н = 2..,3.

При таких относительных шагах между выступами возникает отрывное течение, представляющее собой один или несколько вращающихся вихрей (в зависимости от скорости потока). Наличие вихря (вихрей) вызывает интенсивное конвективное перемешивание слоев газа с различной температурой.

Уменьшение расстояния между выступами приводит к замедлению скорости вихря между выступами и возникновению застойной зоны на дне

!

образующейся протяженной каверны. Увеличение расстояния между выступами также приводит к уменьшению средней теплоотдачи на дискретно шероховатых поверхностях. Таким образом, при увеличении относительного шага Т/Н форма вихря между выступами становится более вытянутой и перед следующим по течению выступом начинает формироваться застойная зона. Дальнейшее увеличение расстояния между выступами приводит к возникновению точки присоединения динамического пограничного слоя в области между выступами. Коэффициенты теплоотдачи в этом случае меньше, чем при оптимальных значениях Т/Н вследствие наличия застойных зон до и после выступа, скорость потока в которых крайне низкая и конвективный перенос тепла практически отсутствует, а теплообмен между пластиной и окружающей средой осуществляется преимущественно за счет теплопроводности.

Обобщение экспериментальных данных по местной теплоотдаче на вертикальной пластине при наличии интенсификаторов производилось по уравнению подобия Ыих = Г{Яа*,Т/Н}, где в качестве определяющей температуры использовалась температура окружающего воздуха 10, а в качестве определяющего линейного размера - координата по длине пластины х. Так как интенсификаторы были изготовлены из хорошо теплопроводящего материала, то в данном случае при расчетах местных коэффициентов теплоотдачи учитывалось увеличение площади теплообмена за счет наличия интенсификаторов, причем = 1,016...1,925.

В процессе исследования было обнаружено влияние относительного шага поперечных выступов Т/Н на местную теплоотдачу на дискретно шероховатой поверхности. Определение влияния проводилось по оценкам математических ожиданий в группах. Группы объединяли данные для каждого значения относительного шага поперечных выступов. Совокупность данных в зависимости от диапазона изменения относительного шага Т/Н представлена на рис.3.

Результаты экспериментальных исследований местной теплоотдачи во всем диапазоне изменяемых параметров для вертикальной пластины при наличии интенсификаторов были обобщены зависимостями:

Ыих =0,824-(йа-х*)0-22 дляТ/Н = 2...Ю (4)

Ыих =0,996-(Ках*)0,22(Т/Н)~0'069 дляТ/Н= 10...80 (5)

Представленные формулы справедливы в диапазоне: Яа* = 5,76-Ю5...1,53-Ю12; Т/Н = 2...80 с погрешностью ± 20 % при доверительной вероятности 0,95 (рис.4 и 5). За определяющую температуру принята температура окружающего воздуха Ц.

Для средней теплоотдачи получены следующие зависимости: Ый^ = 0,936 • (Иа^)022 дляТ/Н = 2...Ю (6)

= ^Ш^Ка^У^СТ/Н)"0 069 для Т/Н = 10...80 (7)

Представленные формулы справедливы в диапазоне: Ra*-1,33-108...

5,8410"; Т/Н = 2...80 с погрешностью ± 20 % при доверительной

вероятности 0,95. За определяющую температуру принята температура

окружающего воздуха t0.

Эксперименты проводились также в вертикальном плоском канале

длиной L=1000 мм, шириной b =360 мм при одностороннем нагреве,

причем высота канала В (расстояние между стенками) изменялась от 15 мм

до 60 мм с шагом 15 мм, имеющем интенсификаторы теплообмена в виде

дискретных поперечных выступов высотой Н = 4,1 мм, в следующем

диапазоне изменяющихся параметров:

D . _ D gp"c ß(t7-t0)D4 . 5

RaD = GrD Pr —=-'-=4.510 ...5.1 10 ;

L LXji

тч # ~ ~ в gp-c ßq^B3 6

RaB =GrB -NuB Рг — =-"Ц;-=20,7...1,4-10 ;

L ЬХгц

D # ^ Й- D ёРЧРЧ«^ ,.Jn2 т,п7

RaD =Gtd -Nud Pr — =-Ц-= 5,4-10 ...210 ;

L L>"n

Rel) — = = 12...338,3; Pr=0,7; q„ =6,62...502,08 Вт/м2; L цЬ

t7-to=6,3...50,2°C; L/В = 16,66...66,66; T/H = 10...80; H/B = 0,068...0,27; 8/H = 0,6...6; \Bm/L = 0,6... 1,0.

В дискретно шероховатом канале происходит значительное увеличение скорости потока омывающего поверхность за счет появления самотяги. Как следствие происходит увеличение уровня теплоотдачи.

На рис.6 показаны влияние модифицированного числа Рэлея Rag и уровень интенсификации средней теплоотдачи в вертикальных дискретно шероховатых каналах. Рассмотрев рис.6 можно сделать вывод о том, что наличие в вертикальном канале дискретно установленных выступов приводит к увеличению теплоотдачи при ламинарном режиме примерно в 1,01...5,34 раза по сравнению с гладким вертикальным каналом, таким образом, интенсификация теплоотдачи в этом случае выше, чем на дискретно шероховатой поверхности. Наибольшая интенсификация достигается при Т/Н = 20...40. При уменьшении относительного шага теплоотдача резко снижается, тоже происходит и при увеличении относительного шага. В первом случае возникает застойная зона между выступами, в которой скорость вращения достаточно низкая, по сравнению с аналогичными случаями для дискретно шероховатой поверхности. По мере увеличения расстояния между выступами происходит присоединение потока и в этом случае средний коэффициент теплоотдачи в дискретно шероховатом канале максимален. Дальнейшее увеличение расстояния между выступами приводит к увеличению толщины динамического пограничного слоя и уменьшению

коэффициента теплоотдачи.

Характерная картина распределения местных коэффициентов теплоотдачи между выступами в вертикальном дискретно шероховатом канале в зависимости от q представлена на рис.7. Представлен случай с образованием между выступами зоны рециркуляции и присоединением потока.

Увеличение интенсивности теплоотдачи должно привести к увеличению прогретости слоя газа в канале и, как следствие, к увеличению скорости. Однако сравнение средних скоростей потока в гладком и дискретно шероховатом каналах показал, что скорости практически одинаковы. Это связано с тем, что, несмотря на увеличение подъемной силы (Apgh), увеличивается и гидравлическое сопротивление канала за счет наличия выступов, а количество движения ограничено тепловой подъемной силой ßAt. Здесь же необходимо указать, что на уровень коэффициента теплоотдачи оказывает влияние и относительная высота выступов Н/В.

В каналах малой высоты коэффициент гидравлического сопротивления достаточно высок и скорость потока низкая. По мере увеличения высоты канала скорость потока увеличивается за счет уменьшения гидравлического сопротивления. При этом увеличивается и средний коэффициент теплоотдачи в канале. При дальнейшем увеличении высоты канала должен наступить случай эквивалентный дискретно шероховатой поверхности в большом объеме и средний коэффициент теплоотдачи уменьшится, и достигнет значений наблюдаемых в опытах на дискретно шероховатой поверхности.

Все вышесказанные рассуждения можно проанализировать с помощью графика изображенного на рис.8, на котором представлена зависимость среднего коэффициента теплоотдачи а на вертикальной дискретно шероховатой поверхности и в вертикальном дискретно шероховатом канале с односторонним нагревом от геометрических параметров интенсификаторов

при фиксированном RaL* = 1,4-1011.

Обобщение экспериментальных данных по средней теплоотдаче в дискретно шероховатом канале при наличии интенсификаторов выполнено в виде уравнения подобия NuB =f{RaB,T/H,H/B,H/L,...}, где в качестве определяющей температуры использовалась температура на входе в канал t0, а в качестве характерного линейного размера использовалась высота канала В. Так как интенсификаторы были изготовлены из хорошо теплопроводящего материала, то в данном случае при расчетах средних коэффициентов теплоотдачи учитывалось увеличение площади теплообмена за счет наличия интенсификаторов, причем F^ /FrjlaJ = 1,016... 1,18.

В итоге, результаты экспериментальных исследований средней теплоотдачи по длине вертикального канала, при наличии интенсификаторов, во всем диапазоне изменяемых параметров при свободной конвекции и одностороннем нагреве были обобщены зависимостью:

NuB = 0,1497 • (Rag )°"oz (T /Н)0-351 (H / B)"0335, (8)

где: NuB =aB/X, RaB* = gßqw p2cpB3/(fiArL). Зависимость (8) описывает

все эксперимеиталыше данные с погрешностью ± 20 % при доверительной вероятности 0,95 (рис.9). Зависимость справедлива в диапазоне изменения определяющих параметров - Ra£= 20,7...1,4-Ю6; Т/Н = 10...40; Н/В = 0,068 ...0,27.

В связи со сходством процессов переноса в дискретно шероховатых каналах при свободной и вынужденной конвекции проведена апробация математической модели для ламинарной конвекции в дискретно шероховатом канале с односторонним нагревом.

Модель, предложенная В.В. Олимпиевым, позволяет рассчитать параметры трения и теплоотдачи в дискретно шероховатых каналах при числах Re < 104 для случая вынужденной конвекции (рис.10). Существо модели следующее. При локальном числе Рейнольдса обтекания выступа w Н

ReH = х ¿120 гаратированно отравное течение около выступа (w„-v

скорость внешнего течения или на оси канала; Н - высота выступа). После выступа образуется рециркуляционная зона 1, (рис.10). От кромки выступа (точка А, х = 0) по поверхности рециркуляционной зоны (линия Ахк) до точки присоединения хк и далее вдоль стенки до следующего выступа формируется внутренний ламинарный пограничный слой 2. На границе рециркуляционной зоны (линия Ахк) распределение касательных напряжений трения т (соответственно и профиль скорости) аналогично распределению на пластине. В пределах внутреннего ламинарного пограничного слоя 2 после точки присоединения хк толщина слоя, профили скоростей и температур приближенно соответствуют обычному «стандартному» течению на пластине.

На стенке канала под рециркуляционной зоной за выступом от точки присоединения хк в направлении, обратном движению слоя 2, развивается внутренний ламинарный пограничный спой 3, свойства которого аналогичны характеристикам обычного ламинарного пограничного слоя на пластине.

Интенсификация теплообмена за выступом объясняется, в основном, малой толщиной (малым термосопротивлением) внутреннего ламинарного пограничного слоя 2 и 3.

Ламинарное течение во внутреннем пограничном слое 2 сохраняется в точке присоединения хк при ReH < 520, в противном случае возникает ламинарно-турбулентный переход (при х < хк). Непосредственно за выступом внутренний пограничный слой 2 становится турбулентным при ReH > 890...900 (Синха, Шлихтинг, Аунг, Бон). В цел«»» для потока в дискретно шероховатых каналах ориентировочные границы диапазона ламинарно-турбулентного перехода для H/D = 0,5...0,l: Re^, = WD/v = 60/(H/D), Re^ =450/(H/D) (W-среднерасходная скорость в канале диаметром D; D-диаметр гладкой

части дискретно шероховатого канала). При ReH > 900 длина рециркуляционной зоны постоянна L«6Н. При ReH =100—500 длина L рециркуляционной зоны может вычисляться по соотношению

L = — = 2,13 + 0,021ReH. (9)

Н

Средний коэффициент теплоотдачи сц на типовом участке Т складывается го средних коэффициентов теплоотдачи а2 для внутреннего пограничного слоя 2 на участке хБ - хк и aj для внутреннего пограничного слоя 3 на длине L: ___

— ^g:(xE-xK) + g,L . Q

T^l '

Коэффициент а; рассчитывается по уравнению подобия для ламинарной теплоотдачи на пластине

Nu4=^ = 0,33Re^Pror,\ (11)

Я

где Rex =—, w - скорость на внешней границе внутреннего пограничного слоя v

2. _ _

Подобным образом находится значение а3 для внутреннего пограничного слоя 3; а3 можно рассчитывать либо по эмпирическим уравнениям, либо воспользоваться характерными распределениями а, /ак =f(x/L), где ак - местный коэффициент теплоотдачи в точке присоединения потока, а L -длина рециркуляционной зоны, которые подобны как для вынужденной, так и для свободной конвекции.

Автор адаптировал модель для расчета теплоотдачи в дискретно шероховатом канале при свободной конвекции. Особенностью адаптации

модели является введение зависимости модифицированного числа —* «

Рейнольдса Reo от модифицированного числа Рэлея RaD.

Для апробации модели и установления целесообразности ее использования для условий свободной конвекции были проведены расчеты по исходным данным: L = 1000 мм, D = 28,8... 102,8 мм, Т = 42...333 мм, Н = 4,1 мм. Расхождение экспериментальных и расчетных данных по средней теплоотдаче не превышает +20 % (рис.11).

Для увеличения достоверности данных и для апробации модели были использованы экспериментальные данные других авторов, например, данные по распределению местных коэффициентов теплоотдачи в дискретно шероховатом канале, полученные в работе Дж. Танда.

На рис.12 и 13 представлено сравнение местных коэффициентов теплоотдачи между двумя соседними выступами при свободной конвекции в вертикальном плоском дискретно шероховатом канале с односторонним нагревом полученных экспериментально Дж."Танда и рассчитанных по

модели. Коэффициенты теплоотдачи, рассчитанные по данной модели, отклоняются от опытных значений Дж. Танда не более чем на 5... 10 %.

Таким образом, представленная модель пригодна для расчета свободноконвективного ламинарного течения и теплоотдачи в дискретно шероховатом канале.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Выполненная работа и полученные результаты позволяют сделать следующие выводы и заключения:

1. Установлено влияние дискретных поперечных выступов на теплоотдачу вертикальной пластины при ламинарном режиме течения и выявлено, что уровень средней теплоотдачи на вертикальной поверхности с выступами в 1,01...2,79 раза выше, чем на гладкой поверхности в исследованном диапазоне изменения определяющих параметров.

2. Выявлено и исследовано влияние относительного шага выступов Т/Н на теплоотдачу на вертикальной поверхности. Максимальная теплоотдача наблюдалась при T/H = 2...3. Установлено, что с увеличением относительного шага выступов теплоотдача на вертикальной поверхности в условиях свободной конвекции уменьшается, и при Т/Н = 40...80 теплоотдача соответствует уровню теплоотдачи на гладкой поверхности.

3. Получены обобщенные зависимости (4), (5), (6) и (7) для расчета теплоотдачи на вертикальных поверхностях с интенсификаторами при свободной конвекции в следующем диапазоне изменения режимных и конструктивных параметров: Rax= 7,6-10\..4,5'109; Ra*=3,M0s...l,41012; Рг =0,7; qw =12,54...440,07Вт/м2; t^-t0 =6,8...48,5°С, Т/Н =2...80.

4. Установлено влияние дискретных поперечных выступов на теплоотдачу в вертикальном плоском канале при ламинарном режиме течения и выявлено, что уровень средней теплоотдачи в вертикальном плоском канале с выступами в 1,01...5,3 раза выше, чем в гладком канале в исследованном диапазоне изменения определяющих параметров.

5. Исследовано влияние относительного шага Т/Н и относительной высоты выступов Н/В на теплоотдачу в вертикальном канале. Максимальная интенсификация наблюдалась при Т/Н = 40. При дальнейшем увеличении относительного шага Т/Н интенсификация теплоотдачи в канале резко уменьшалась. Увеличение относительной высоты выступов Н/В приводило к увеличению среднего Коэффициента теплоотдачи в исследованном диапазоне Н/В = 0,068...0,27. Таким образом, установлено, что в исследованном диапазоне изменяемых параметров с увеличением относительного шага и увеличением относительной высоты выступов теплоотдача в вертикальном плоском канале при свободной конвекции увеличивается.

6. Получена обобщенная зависимость (8) для расчета теплоотдачи в интенсифицированных вертикальных каналах с односторонним нагревом при

свободной конвекции в следующем диапазоне изменения режимных и конструктивных параметров: RaD=5,l-102...5,4-105; RaB=13,3...1,3-106;

Ra£,=3,4102...l,9-107; Pr=0,7; qw =4,54...460,5Вт/м2; Rei) = 14...347,9; t^-t0 =6,8...53,3°C; L/B = 16,66...66,66; H/B = 0,068...0,27; T/H = 10...80.

7. Модифицирована математическая модель, предложенная B.B. Олимпиевым для условий течения и теплоотдачи в дискретно шероховатом канале при вынужденной конвекции, для расчета теплоотдачи в дискретно шероховатом канале при свободной ламинарной конвекции. Проведена апробация модифицированной модели для различных условий и получено согласование расчетных и экспериментальных данных с погрешностью ±5...20%.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ

1. Попов И.А., Усенков P.A. Исследование течения и теплообмена при свободной конвекции около вертикальной поверхности при наличии поверхностных интенсификаторов. // Труды XXVI Сибирского теплофизического семинара, 17-19 июня 2002г., Новосибирск, 2002. с. 189190.

2. Попов И.А., Усенков P.A. Исследование свободноконвективных течений и теплоотдачи на вертикальной поверхности с дискретной шероховатостью. // Труды Всероссийской школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН В.Е.Алемасова «Проблемы тепломасообмена и гидродинамики в энергомашиностроении», 2-4 октября 2002г., Казань, КГЭУ, 2002. с.56-58.

3. Попов И.А., Усенков P.A. Экспериментальное исследование теплоотдачи и течения на вертикальных поверхностях с дискретной шероховатостью при свободной конвекции газа. //Труды Ш Российской национальной конференции по теплообмену, 21 - 25 октября 2002г. В 8 томах. Т.З. Свободная конвекция. Тепломассообмен при химических превращениях. М.: Издательство МЭИ. 2002. с. 132-135.

4. Гортышов Ю.Ф., Попов И.А., Усенков P.A. Теплоотдача при внешних и внутренних свободноконвективных вертикальных течениях с поверхностными интесификаторами. // Труды XIV Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И.Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломасообмена в энергетических установках», 26 - 30 мая 2003г. В 2 томах. T.l. М.: Издательство МЭИ. 2003. с. 49-52.

5. Гортышов Ю.Ф., Попов И.А., Усенков P.A. Теплоотдача свободноконвективных течений при наличии поверхностных интесификаторов. // Изв.вузов. Авиационная техника. 2003. №3. с. 29-32.

2 » 1 *

л \\\\\\\\\ ш -л—г с'

, 1

(а) Температурный напор 10° С, Т/Н=2, (б) Температурный напор 10° С,

Н=3,2 мм Т/Н=20 -80, №=3,2 мм

Рис.1. Картины течения на пластине с интенсификэторами

10« 10» 10« 10» 10'° 10" 10«

Рис.2. Влияние числа и уровень интенсификации местной теплоотдачи на ДШП. Линия - расчет по формуле (2)

"Г" • А V ПН »2 ПН»9 ПНИ ч

¿20%

10» 10' 10« 10» 10'» 10" 10«

Рис.4. Обобщение экспериментальных данных по местной теплоотдаче на ДШП с выступами (Т/Н = 2...) 0). Линия - расчет по формуле (4)

Рис.3. Влияние относительного шага Т/Н поперечных выступов на местную теплоотдачу на ДШП. Линии 1 и 2 - обобщ. зависимости

Г Т«к«|0 * ТМ>2» ► тммо г Т/Н-М

±20%

10« 101 10" 10» 10« 10" 10« Яа*

■

Рис.5. Обобщение экспериментальных данных по местной теплоотдаче на ДШП с выступами (Т/Н = 10. ..80). Линия - расчет по формуле (5)

4.20

4.10 4.05 4,00 3,95 3,90

з.м

3.80 3,75 3,70

Рис.6. Влияние числа Лав и уровень интенсификации средней теплоотдачи в ДШК с односторонним нагревом. Линия - расчет по формуле (3)

»■эти уи тт^ятк

щ:

Рис.7. Распределение местных коэффициентов теплоотдачи между выступами в ДШК в зависимости от q

ю

Вт/н'К

—а—. н/в*о 273 -0 «зв —А— . 0 091 .0 06« —X— • 0 Мрт плмтима

Рис.8. Зависимость а на ДШП и в ДШК с односторонним нагревом от геометрических параметров интенсификаторов при

фиксированном Яа* = 1,4 • 101'

Рис.9. Обобщение экспериментальных данных по средней теплоотдаче в ДШК с интенсификаторами и при одностороннем нагреве. Линия - расчет по формуле (8)

-1- | ' ■' • 0427 Т/И«7Л.*»,Л»3 185*10* |

--1- ! .

/

/

/

—

О 5 10 15 го 25 30 35 40 X, ми

Рис.12. Сравнение местных коэффициентов теплоотдачи между двумя выступами при свободной конвекции в ДШК полученных экспериментально Дж. Танда и рассчитанных по модели. Линии -расчет по модели, точки - эксперимент Дж. Танда

Я

А

* • •• Н/0=0 033 Т/Нв20

• ----н/о ■О074ТЛНИ0 |

"а а ▼

•

105 ю6 10'

Рис.11. Сравнение средних коэффициентов теплоотдачи при свободной конвекции в ДШК полученных автором экспериментально и рассчитанных по модели

----1-------

; —--.1.1---

О 5 10 15 20 25 30 35 40 х, ми

Рис.13. Сравнение местных коэффициентов теплоотдачи между двумя выступами при свободной конвекции в ДШК полученных экспериментально Дж. Танда и рассчитанных по модели. Линии -расчет по модели, точки - эксперимент Дж. Танда

к

Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ.л. 1.25. Усл.печ.л. 1.16. Усл.кр-отт.1.16. Уч.-изд.л. 1.0.

_Тираж 100. Заказ Г2Ь'1_

Типография издательства Казанского государственного технического

университета 420111, Казань, К.Маркса, 10

!; i

Г i

!

s t

i

л

2.00? - А _l7'é7

Р 17167

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПО ИССЛЕДОВАНИЮ ВНЕШНИХ И ВНУТРЕННИХ ЗАДАЧ ТЕПЛООБМЕНА И ГИДРОДИНАМИКИ ПРИ СВОБОДНОЙ КОНВЕКЦИИ.

1.1. Свободноконвективные вертикальные течения в теплоэнергетическом оборудовании.

1.2. Способы интенсификации теплоотдачи.

1.3. Вертикальные дискретно шероховатые поверхности и дискретно шероховатые каналы.

1.4. Конкретные задачи настоящего исследования.

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ, МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ И ОБРАБОТКИ ОПЫТОВ, ОЦЕНКА ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ.

2.1. Экспериментальный стенд.

2.2. Методика проведения эксперимента.

2.3. Методика обработки экспериментальных данных.

2.4. Оценка точности эксперимента.

2.5. Исследование течения на вертикальных гладких поверхностях и в вертикальных гладких плоских каналах (тестовые опыты).

2.6. Исследование теплоотдачи на вертикальных гладких поверхностях и в вертикальных гладких плоских каналах (тестовые опыты).

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВНУТРЕННИХ И ВНЕШНИХ ВЕРТИКАЛЬНЫХ ТЕЧЕНИЙ И ТЕПЛООТДАЧИ ПРИ СВОБОДНОКОНВЕКТИВНОМ ДВИЖЕНИИ ГАЗА.

3.1. Физическое моделирование процессов переноса при свободной конвекции на вертикальных дискретно шероховатых поверхностях и в вертикальных плоских дискретно шероховатых каналах.

3.2. Исследование теплообмена на вертикальных дискретно шероховатых поверхностях . .*.

3.3. Исследование теплообмена в вертикальных плоских дискретно шероховатых каналах.

3.4. Математическая модель ламинарного течения для расчета теплоотдачи в каналах с выступами.

Свободное движение возникает при изменении в жидкости массовых сил. Такими силами могут быть сила тяжести, центробежная сила и сила, возникающая при наведении Ъ жидкости электромагнитного поля. Наиболее распространено и хорошо изучено свободное движение жидкости, вызванное гравитационными силами. Свободной гравитационной конвекцией называется движение жидкости, возникающее в поле сил тяжести при наличии градиента температуры.

Плотность, как жидкости, так и газа зависит от температуры, поэтому при наличии в жидкости или газе градиента температуры массовые силы gp в различных точках различны. Это вызывает движение жидкости, определяемое направлением поля массовых сил, распределением температур в жидкости и геометрической формой объема. При свободной конвекции поля скоростей и температур существенно взаимосвязаны. Поэтому для описания свободной конвекции необходимо совместное рассмотрение уравнений неразрывности, движения и энергии.

В последние годы заметно повысился интерес многих исследователей к изучению внешних и внутренних свободноконвективных течений на вертикальных поверхностях и в вертикальных плоских каналах. В случае внутренних свободноконвективных течений, например, в вертикальной трубе, на процессы теплообмена оказывают влияние конечные размеры области. Начиная с некоторого расстояния от входа, жидкость по всему поперечному сечению испытывает тормозящее действие сил вязкости, происходит изменение температуры жидкости по сечению и длине трубы. У стенок Образуется пограничный слой, толщина которого постепенно нарастает. На участке гидродинамической стабилизации пограничный слой заполняет все поперечное сечение. При постоянных физических свойствах жидкости после того, как динамические пограничные слои сомкнутся, устанавливается постоянное относительное распределение скорости, характерное для данного режима течения. Из-за такого усложнения внутренние задачи свободной конвекции исследовались в значительно меньшей степени, по сравнению с соответствующими внешними течениями.

Погрешность измерений экспериментальные данных при свободной конвекции намного выше, чем при вынужденной конвекции, так как из-за низкой интенсивности процесса теплообмена при свободной конвекции возникают некоторые трудности, связанные непосредственно с измерениями основных параметров.

В настоящее время хорошо обоснованная теория разработана лишь для ламинарного режима свободной конвекции в пограничных слоях и она, в принципе, обеспечивает понимание физического существа процессов переноса тепла около стенки и определяет основную структуру уравнений подобия для корреляции экспериментальных результатов. Наибольшее распространение в задачах свободной конвекции имеет модель Обербека -Буссинеска, являющаяся основой современной теории свободной конвекции и многих приближений, в том числе теории конвективной устойчивости и полуэмпирических моделей турбулентности. На основе этой модели получены численные решения двумерных и трехмерных задач для переходных и турбулентных режимов конвекции. Развитие вычислительной техники и методов исследования привело к возможности получения новых численных решений для ламинарного режима течения.

Известно, что свободноконвективное течение характеризуется небольшими значениями коэффициентов теплоотдачи, поэтому широкое использование свободноконвективных течений в технике связано в основном g применением интенсификаторов теплоотдачи.

Как указывалось, количество движения при свободной конвекции ограничено и определяется только подъемной силой p/Atw . Вследствие этого, при свободной конвекции целесообразно использовать поверхностные способы интенсификации теплоотдачи, характеризующиеся малым гидравлическим сопротивлением.

Свободноконвективное течение газа в вертикальных каналах практически подобно вынужденному течению. Известно, что для интенсификации теплоотдача в канале, особенно при вынужденной конвекции, весьма эффективны поперечные выступы, которые обеспечивают повышение тепловой эффективности и снижают металлоемкость оборудования. Экспериментально установлено, что в области относительно малых чисел Рейнольдса и сравнительно больших относительных шагов выступов турбулизация потока приводит к выгодному соотношению между нарастанием теплообмена и увеличением сопротивления. Повышение числа Рейнольдса течения снижает положительный эффект интенсификации теплообмена.

Интенсификация теплообмена в канале при вынужденной конвекции неизбежно сопровождается повышением гидравлического сопротивления, которое в большинстве случаев опережает увеличение теплоотдачи. При использовании выступов для интенсификации теплообмена необходимо стремиться к выгодному соотношению между уровнем теплообмена и значением гидравлического сопротивления канала. Возрастание относительной высоты шероховатости при неизменном относительном шаге сопровождается увеличением теплоотдачи только до некоторого предела, а затем рост теплообмена прекращается, возникает явление "насыщения" теплоотдачи. Это связано с тем, что высокие выступы создают турбулентные возмущения потока вдали от стенки, которые мало влияют на процессы теплопереноса в пристенной зоне. Предельное увеличение теплоотдачи в т>рубе с выступами при вынужденной конвекции в 3,8.4,3 раза по сравнению с гладкой трубой получено в опытах при d/D=0,6 и Т/Н = 10 [1]. Гидравлическое сопротивление трубы непрерывно увеличивается при возрастании высоты и постоянном шаге выступов. При неизменной высоте выступа и увеличении шага падение давления в трубе уменьшается. В области малых высот выступов темпы нарастания коэффициентов теплоотдачи и гидросопротивления приближенно равны. Следовательно, низкие выступы весьма перспективны для интенсификации теплообмена. Оптимальная высота выступов в трубе находится в диапазоне 0,1 > 2H/D >0,02, а оптимальный шаг - в пределах 25>Т/Н>10, при возрастании H/D оптимум перемещается в район больших Т/Н [1], что проверено экспериментально в области чисел Рейнольдса от 104 до 105.

Полученный положительный эффект при вынужденной конвекции целесообразно использовать и для свободноконвективного движения. Интенсификация теплоотдачи приводит к увеличению теплосъема, и должна была бы увеличивать скорость потока. Но наличие выступов приводит к увеличению гидросопротивления, а значит - к уменьшению скорости потока при свободноконвективном течении. Вообще достаточно большие значения относительного шага расположения выступов Т/Н способствует значительному утолщению пограничного слоя между выступами, что в свою очередь уменьшает теплоотдачу. Небольшие значения относительного шага Т/Н также способствует значительному утолщению пограничного слоя между выступами, что связано с уменьшением скорости потока из-за слишком часто расположенных уступов. Поэтому следует найти оптимальное соотношение между теплоотдачей, режимными (Re ,Ra ) и конструктивными (Т/Н,Н/В) параметрами.

Дискретно установленные выступы на нагреваемой поверхности - это один из способов интенсификации теплообмена в условиях свободной конвекции. Литература по влиянию сложных геометрий поверхности на теплоотдачу при свободной конвекции весьма немногочисленна. k На основе имеющихся исследований можно сделать вывод, что дискретная шероховатость позволяет интенсифицировать теплоотдачу при свободной конвекции в большом объеме и максимальная интенсификация достигается при Т/Н = 1.3.

Работ по исследованию теплоотдачи на вертикальных поверхностях и в вертикальных плоских каналах при наличии периодически установленных интенсификаторов в литературе практически нет.

На основе проведенного обзора литературы по свободной конвекции и анализа возможности использования поверхностных интенсификаторов сформулирована основная цель работы.

Цель работы - исследование процессов течения и теплообмена на вертикальных поверхностях и в вертикальных плоских каналах с интенсификаторами при свободной ламинарной конвекции газа.

Диссертация выполнена на кафедре теоретических основ теплотехники Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева (КАИ) в период с 2000 г. по 2003г. под научным руководством Заслуженного деятеля науки Российской Федерации, Заслуженного деятеля науки и техники Республики Татарстан, доктора технических наук, профессора Гортышова Юрия Федоровича. Научный консультант - кандидат технических наук, доцент Попов Игорь Александрович.

Полученные основные результаты диссертации докладывались и получили одобрение на XXVI Сибирском теплофизическом семинаре (Новосибирск, 2002 г), на Всероссийской школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН В.Е. Алемасова «Проблемы тепломасообмена и гидродинамики в энергомашиностроении» (Казань, 2002 г), на III Российской национальной конференции по теплообмену (Москва 2002 г), на XIV Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» (Рыбинск, 2003 г), на научно-технических семинарах кафедры ТОТ КГТУ им. А.Н. Туполева.

По материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ.

Автор выражает глубокую благодарность за помощь в подготовке диссертации научному руководителю - Заслуженному деятелю науки Российской Федерации, Заслуженному деятелю науки и техники Республики и

Татарстан, доктору технических наук, профессору Гортышову Юрию Федоровичу, научному консультанту - кандидату технических наук, доценту Попову Игорю Александровичу и всем сотрудникам кафедры теоретических основ теплотехники Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева (КАИ).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Выполненная работа и полученные результаты позволяют сделать следующие выводы и заключения:

1. Установлено влияние дискретных поперечных выступов на теплоотдачу вертикальной пластины при ламинарном режиме течения и выявлено, что уровень средней теплоотдачи на вертикальной поверхности с выступами в 1,01.2,79 раза выше, чем на гладкой поверхности в исследованном диапазоне изменения определяющих параметров.

2. Выявлено и исследовано влияние относительного шага выступов Т/Н на теплоотдачу на вертикальной поверхности. Максимальная теплоотдача наблюдалась при Т/Н = 2.3. Установлено, что с увеличением относительного шага выступов теплоотдача на вертикальной поверхности в условиях свободной конвекции уменьшается, и при Т/Н = 40.80 теплоотдача соответствует уровню теплоотдачи на гладкой поверхности.

3. Получены обобщенные зависимости (3.1), (3.2), (3.3) и (3.4) для расчета теплоотдачи на вертикальных поверхностях с интенсификаторами при свободной конвекции в следующем диапазоне изменения режимных и конструктивных параметров: Rax= 7,6-104.4,5-109; Rax =3,Ы05.1,4-1012; Рг = 0,7; qw = 12,54.440,07 Вт/м 2; t^ -10 = 6,8.48,5°С, Т/Н =2.80.

4. Установлено влияние дискретных поперечных выступов на теплоотдачу в вертикальном плоском канале при ламинарном режиме течения и выявлено, что уровень средней теплоотдачи в вертикальном плоском канале с выступами в 1,01.5,3 раза выше, чем в гладком канале в исследованном диапазоне изменения определяющих параметров.

5. Исследовано влияние относительного шага Т/Н и относительной высоты выступов Н/В на теплоотдачу в вертикальном канале. Максимальная интенсификация наблюдалась при Т/Н = 40. При дальнейшем увеличении относительного шага Т/Н интенсификация теплоотдачи в канале резко уменьшалась. Увеличение относительной высоты выступов Н/В приводило к увеличению среднего коэффициента теплоотдачи в исследованном диапазоне Н/В = 0,068.0,27. Таким образом, установлено, что в исследованном диапазоне изменяемых параметров с увеличением относительного шага и увеличением относительной высоты выступов теплоотдача в вертикальном плоском канале при свободной конвекции увеличивается.

6. Получена обобщенная зависимость (3.5) для расчета теплоотдачи в интенсифицированных вертикальных каналах с односторонним нагревом при свободной конвекции в следующем диапазоне изменения режимных и конструктивных параметров: RaD=5,110 .5,410 ; RaB=13,3.1,3-10 ;

Ra^ =3,4-102. 1,9-107; Pr=0,7; qw = 4,54.460,5 Вт/м2 ; Re*D = 14.347,9; t^-t0 =6,8.53,3°С; L/B = 16,66.66,66; Н/В = 0,068.0,27; Т/Н = 10.80.

7. Модифицирована математическая модель, предложенная В.В. Олимпиевым для условий течения и теплоотдачи в дискретно шероховатом канале при вынужденной конвекции, для расчета теплоотдачи в дискретно шероховатом канале при свободной ламинарной конвекции. Проведена апробация модифицированной модели для различных условий и получено согласование расчетных и экспериментальных данных с погрешностью ±5.20 %.

1. Калинин Э.К., Дрейцер Г.А., Ярхо С. А. Интенсификация теплообмена в каналах. М.: Машиностроение, 1990. 208с.

2. Кузьмин Г.П. Воздушный повышенной надежности термосифон // Наука и образование, №4, 1997. с. 116-118.

3. Благовещенский А.Я., Леонтьева В.Л., Митрохин А.Г., Паромонова И.Л. Использование естественной циркуляции теплоносителя в системах отвода тепла от активных зон реакторных установок // Теплоэнергетика, №3, 1993. с. 4-5.

4. Благовещенский А.Я., Леонтьева В.Л., Митрохин А.Г. Особенности теплогидравлики однофазного теплоносителя при естественной циркуляции в реакторных установках // Известия РАН: Энергетика, №3, 1999. с. 135-140.

5. Новиков Н.Н., Кружилин Г.Л., Ананьев Е.П., Ермишин В.А. Настоящее и будущее АЭС // Теплоэнергетика, №5, 1995. с. 2-5.

6. Афров A.M., Рогов М.Ф., Федоров В.Г., Кухтевич И.В., Безлепкин В.В., Мигров Ю.А., Хабенский В.Б. Методические особенности обоснования пассивных систем безопасности АЭС с ВВЭР-640 // Теплоэнергетика, №11, 1996. с. 16-21.

7. Волкова С.И., Ефимов В.К., Илюхин Ю.Н., Мигров Ю.А., Хабенский В.Б. Исследование процессов отвода остаточного тепла ВВЭР-640 в авариях с потерей теплоносителя первого контура // Теплоэнергетика, №11, 1996. с. 611.

8. Fujii Т., Fujii М., Takeuchi М. Influence of various surface roughness on the natural convection. Int. J. Heat Mass Transfer. Vol.16. No 3, 1973. pp. 629-640.

9. Прасолов P.С. О влиянии шероховатости на теплообмен ^горизонтального цилиндра при свободной конвекции в воздухе // Инженерно-физический журнал, №5, T.IV, 1961. с. 3 7.

10. Костылев Б.Б. Теплообмен и гидродинамика естественноконвективных внутренних течений при наличииинтенсификаторов. Автореф. дисс. канд. техн. наук // КГТУ им. А.Н. Туполева. Казань, 2000.

11. Се, Колдви. Естественная конвекция воздуха от нагретой пластины с направленным навстречу потоку уступом // Труды Америк. Общ-ва инженеров-механиков. Серия С. Теплопередача, №3, Т. 104, 1982. с. 102-108.

12. Яо. Свободная конвекция вдоль вертикальной волнистой поверхности // Труды Америк. Общ-ва инженеров-механиков. Серия С. Теплопередача, №3, Т. 105, 1983. с. 43-46.

13. Бурак B.C., Волков С.В., Мартыненко О.Г. и др. Свободноконвективное течение на вертикальной пластине с постоянным тепловым потоком при наличии одного или нескольких уступов // Инженерно-физический журнал, №3-4, Т.67, 1994. с. 190-197.

14. Bhavnani S., Bergles A. Effect of surface geometry and orientation on laminar natural convection heat transfer from a vertical flat plate with transverse roughness elements. Int. J. Heat Mass Transfer. Vol.33. No 5, 1990. pp. 965 981.

15. Hung Y.H. and Shiau W.M. Local steady-state natural convection heat transfer in vertical parallel plates with a two-dimensional rectangular rib. Int. J. Heat and Mass Transfer. Vol.31. N6, 1988. pp. 1279-1288.

16. Said S.A., Kraine R.J., Лп analytical and experimental investigation of natural convection heat transfer in vertical channels with a single obstruction, Int. J. Heat and Mass Transfer, Vol.33, №6, 1990. pp. 1125-1134.

17. Abu-Mulaweh H.I. Turbulent natural-convection flow over a vertical forward-facing step // Experimental Heat Transfer, Vol.15, №1, 2002. pp. 49-69.

18. Shakerin S., Bohn М., Loehrke R. Natural convection in an enclosure with discrete roughness elements on a vertical heated wall. Int. J. Heat Mass Transfer. Vol.31. No 7, 1988. pp. 1423 1430.

19. Tanda G. Natural convection heat transfer in vertical channels with and without transverse square ribs // Int. J. Heat Mass Transfer. Vol. 40, № 9, 1997. pp. 2173 2185.

20. Kwak C.E., Т.Н. Song. Experimental and numerical study on natural convection from vertical plates with horizontal rectangular grooves. Int. J. Heat Mass Transfer. Vol.41. No 16, 1998. pp. 2517-2528.

21. Азеведо, Сперроу. Свободная конвекция в открытых по концам наклонных каналах. Теплопередача, №4, Т. 107, 1985. с. 123 - 132.

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

23. Бодойя, Остерл. Развитие естественной конвекции между рагретыми вертикальными пластинами // Труды Америк. Общ-ва инженеров-механиков. Серия С. Теплопередача, №1, 1962. с. 52-57.

24. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. М.: Энергоиздат, 1981. 416 с.

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

26. Гебхард Б., Джалурия Й., Махаджан Р., Саммакия Б. Свободноконвективные течения, тепло- и массообмен. В 2-х книгах, кн. 1. пер. с англ. М.: Мир, 1991. - 678с.

27. Раманатхан, Кумар. Корреляция для естественной конвекции между нагреваемыми вертикальными пластинами. Современное машиностроение, №9, 1991. с. 1-12.

28. Вирц, Стуцман. Экспериментальное исследование свободной конвекции между вертикальными пластинами с симметричным нагревом. -Теплопередача, №3, Т. 104, 1982. с. 93-100.

29. Бар-Коэн, Розеноу. Термически оптимальный промежуток между вертикальными параллельными пластинами, охлаждаемыми свободной конвекцией. Теплопередача, №1, Т. 106, 1984. с. 114-121.

30. Гортышов Ю.Ф., Олимпиев В.В. Теплообменные аппараты с интенсифицированным теплообменом. Казань: Изд во Казан, гос. техн. ун -та, 1999. 176 с.

31. Олимпиев В.В. Модель течения для расчета теплоотдачи и сопротивления каналов с выступами при Re < 104 //Изв. вузов. Авиационная техника. 2001. №2. с. 48 52.

32. Теплообмен: Достижения. Проблемы. Перспективы. М.: Изд-во «Мир», 1981. с. 145-185.

33. Chadwick M.L., Webb B.W. and Heaton H.S. Natural convection from discrete heat sources in a vertically vented rectangular enclosure // Experimental Heat Transfer, №4, 1991. pp. 199-216.

34. Полежаев В.И., Буне А.В., Верезуб Н.А. и др. Математическое моделирование конвективного тепло и массообмена на основе уравнений Иавье - Стокса. Москва. Наука. 1987.

35. Гершуни Г.З., Жуховицкий Е.М., Непомнящий А.А. Устойчивость конвективных течений. Москва. Наука. 1989.

36. Полежаев В.И., Белло М.С., Верезуб Н.А. и др. Конвективные процессы в невесомости. Москва. Наука. 1991.

37. Зимин В.Д., Фрик П.Т. Турбулентная конвекция. Москва. 1988.

38. Дайковский A.F., Полежаев В.И., Федосеев А.И. Исследование структуры переходного и турбулентного режимов конвекции в вертикальном слое // Изв. АН СССР, МЖГ, №6, 1978. с. 66 75.

39. Полежаев В.И. Численное решение системы двумерных нестационарных уравнений Навье Стокса для сжимаемого газа в замкнутой области // Изв. АН СССР, МЖГ, №2, 1967. с. 103 - 111.

40. Полежаев В.И. Численное исследование естественной конвекции жидкостей и газов. // Сб. Некоторые применения метода сеток в газовой динамике. Вып. IV. М. МГУ. 1971. с. 86 180.

41. Андрущенко В.А., Горбунов А.А. Воздушные потоки в атмосфере, вызванные множественными приземными тепловыми источниками // Изв.АН СССР, МЖГ, №5, 1993. с. 20 26.

42. Суржиков С.Т. Математическое моделирование дозвуковых движений излучающего газа // Изв. АН СССР, МЖГ, №5, 1994. Семинары, с. 172.

43. Горбунов А.А. Численное моделирование гидродинамики самогравитирующего объема релятивистского газа // Изв. АН СССР, МЖГ, №5, 1994. Семинары, с. 172.

44. Пухначев В.В. Микроконвекция в вертикальном слое // Изв. АН СССР, МЖГ, №5, 1994. с. 76 84.1. 48. Павловский Д.С. Вторичные течения в слое со свободной поверхностью // Изв. АН СССР, МЖГ, №5, 1994. с. 85 98.

45. Глушко Г.С. Выражения для компонент тензоров коэффициентов турбулентных вязкости и теплопроводности в двумерных течениях // Изв.АН СССР, МЖГ, №5, 1994. Семинары, с. 171 172.

46. Пасконов В.М., Полежаев В.И., Чудов А.А. Численные методы в задачах тепло и массообмена. М. Наука. 1984.

47. Devis I.P., Perona J.J. Developments of free convection flow of a gas in a heated vertical open tube. Int. J. Heat Mass Transfer. Vol. 14. 1971. pp. 889 903.

48. Aung, W., Fletcher, L.S., and Sernas V. Developing laminar free convection between vertical flat plates with asymmetric heating. Int. J. Heat and Mass Transfer. Vol.15. №11. 1972. pp. 2293-2308.

49. Фитцрой. Оптимальное расстояние между ребрами, охлаждаемыми посредством свободной конвекции // Труды Америк. Общ-ва инженеров-механиков. Серия С. Теплопередача, №4, 1971. с. 140-141.

50. Aung, W. Fully developed laminar free convection between vertical plates heated asymmetrically. Int. J. Heat Mass Transfer. Vol.15. No 8, 1972. pp. 1577-1.^80.

51. Kazansky S., Dubovsky V., Ziskind G., Letan R. Chimney-enhanced natural convection from a vertical plate: experiments and numerical simulations. Int. J. Heat Mass Transfer. Vol.46. No 3, 2003. pp. 497-512.

52. Бар-Коэн. Влияние толщины и шага размещения прямоугольных ребер на эффективность теплоотдачи в условиях естественной конвекции // Труды Америк. Общ-ва инженеров-механиков. Серия С. Теплопередача, №3, Т. 101, 1979. с. 220-223.

53. Сотченко В.А. Свободноконвективный теплообмен вертикальных поверхностей с прямоугольными ребрами В. кн.: Исследование процессов тепло- и массопереноса, Киев, 1979, с. 53-58.

54. Семенюк В.А. Оптимальное расстояние между ребрами пластинчатых радиаторов, охлаждаемых путем свободной конвекции // Вопросы РЭ. Серия ТРТО. 1973, №3, с. 44 51.

55. Сотченко В.А. Исследования на моделях с целью увеличения теплопроводности отопительных панельных радиаторов. Санитарная техника, 1976, вып. 16, с. 51 - 55.

56. Легкий В.М. Тупицин Ю.К. Об одной особенности теплообмена радиаторов полупроводниковых приборов при естественной конвекции В кн.: Теплообмен и гидродинамика, Киев, 1977, с. 189 - 194.

57. Спэрроу, Пракаш. Интенсификация теплоотдачи свободной конвекцией от вертикальных дискретных пластин // Труды Америк. Общ-ва инженеров-механиков. Серия С. Теплопередача, №2, Т. 102, 1980. с. 34 41.

58. Халатов А.А., Орлянский В.В., Васильев А.Ф. Обобщение опытных Данных по теплоотдаче одиночных элементов, расположенных на плоской поверхности // Промышленная теплотехника, №2, Т. 10, 1988. с. 41 45.

59. Peterson G.P., Alfonso Ortega. Свободноконвективный теплообмен при внешнем обтекании тел. М.: Энергоатомиздат, 1992.

60. Авдуевский B.C. и др. Основы теплопередачи в авиационной и ракетно-космической технике. М., «Машиностроение», 1975, с.624.

61. Олимпиев В.В. Расчетное и опытное моделирование теплоотдачи и гидросопротивления дискретно шероховатых каналов теплообменного оборудования. Доктор, дисс. Казань: Казан.филиал МЭИ, 1995. 475 с.

62. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука. 1969. 742 с.

63. Мюллер, Корет, Чоу. Отрыв, повторное присоединение и новое развитие несжимаемого турбулентного потока вязкой жидкости // Теоретические основы инженерных расчетов. 1964. №2. с.75 79.

64. Голдстин и др. Отрыв ламинарного пограничного слоя, повторное присоединение и перестройка режима течения при обтекании уступа // Теоретические основы инженерных расчетов. 1970. №4. с.93 96.

65. Аунг. Экспериментальное исследование теплообмена при ламинарном обтекании уступов // Теплопередача. 1983. Т. 105. №4. с. 143 -150.

66. Бон и др. Теплоотдача за резким расширением при переходных числах Рейнольдса//Теплопередача. 1987. №1. с. 120 125.

67. Синха и др. ламинарное отрывное обтекание уступов и каверн. Часть 1: Течение за уступом // Ракетная техника и космонавтика. 1981. №12. с. 42 47.

68. Хун, Се, Ши. Численный расчет отрыва и присоединения потока при ламинарном обтекании установленного на плоской поверхности ребра // Современное машиностроение. А. 1991. №9. с. 43 51.

69. Леонтьев А.И., Ивин В.И., Грехов Л.В. Полуэмпирический способ оценки уровня теплообмена за точкой отрыва пограничного слоя // Инж. физ. )^урн. 1984. Т.47, №4. с. 543 550.

70. Ямамото и др. Теплоотдача вынужденной конвекции от нагретого дна полости // Теплопередача. 1979. №3. с. 97 100.

71. Аунг. Интерферометрическое исследование вынужденной конвекции при отрывном обтеканием выемок ламинарным потоком // Теплопередача. 1983. №3. Т. 105. с. 78 85.

72. Churchill, S.W., A comprehensive correlating equation for buoyancy-induced flow in channels, Letters in Heat and Mass Transfer, Vol. 4, 1977. pp. 193 199.

73. Гебхард Б., Джалурия Й., Махаджан Р., Саммакия Б. Свободноконвективные течения, тепло- и массообмен. В 2-х книгах, кн.2. Пер. С англ. М.: Мир, 1991. - 528с.

74. Мартыненко О.Г., Соковишин Ю.А. Свободно-конвективный теплообмен: Справочник. Минск: Наука и техника, 1982. - 400 с.vy

75. Джалурия И. Естественная конвекция: Тепло- и массообмен. Пер. с англ. М.: Мир, 1983. - 400 с.

76. Остроумов Г.А. Свободная конвекция в условиях внутренней задачи. М.- J1.: Гостехтеориздат, 1952. - 284 с.

77. Vajravelu К. and Sastri K.S. Fully developed laminar free convection flow between two parallel vertical walls 1. Int. J. Heat and Mass Transfer. Vol.20. №6. 1977. pp. 655 - 660.

78. Дрейцер Г.А. Теплообмен при свободной конвекции: Учебное пособие. М.: Изд-во МАИ, 2002. - 100 с.

79. Полежаев В.И. Свободная конвекция: Обзор моделей, методов и приложений // Труды Первой Российской национальной конференции по теплообмену. Т.2. Свободная конвекция. М.: Изд-во МЭИ, 1994. - с. 3 - 10.

80. Олимпиев В.В. Расчетное и опытное моделирование теплоотдачи и гидросопротивления дискретно шероховатых каналов теплообменного оборудования. Автореф. дисс. докт. техн. наук // Казан, филиал МЭИ. Казань, 1995.

81. Гиниевский А.С. и др. Аэроаккустические взаимодействия. М.: Машиностроение, 1978. 150 с.

82. Турбулентные сдвиговые течения 2. Ч. 4. Когерентные структуры // Под.ред. Л. Дж. С. Бредбери и др. М.: Машиностроение, 1983. 422 с.

83. Олимпиев В.В. и др. Термоанемометрическое исследование структуры потока в канале с выступами // Изв. вузов. Авиационная техника. 1993. №1. с. 92-96.

84. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.: Машиностроение, 1992. 672 с.

85. Уттарвар, Раджа Рао. Интенсификация теплообмена при ламинарном течении в трубах с помощью проволочных спиральных вставок // Теплопередача. 1985. №4. Т. 107. с. 160- 166.

86. Чоу. Экспериментальное исследование интенсификации теплоотдачи при вынужденной конвекции в цилиндрической трубе с помощью спиральных пружинных вставок // Теплопередача. 1988. №1. с. 13 -21.

87. Ельчинов В.П., Смородин А.И., Кирпиков В.А. Интенсификация конвективного теплообмена в трубах при движении капельной жидкости повышенной вязкости // Теплоэнергетика. 1990. №6. с. 34 37.

88. Щукин В.К. Теплообмен и гидродинамика внутренних потоков в полях массовых сил. М., 1980. 240 с.ч