Гидродинамика и теплоотдача в отрывных зонах трубных пучков при внезапном расширении канала тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

1. Введение.

Глава I. Современное состояние вопроса, постановка задачи.

Г1. Отрывные течения.

1. Г Г Основные положения теории отрыва.

1Л.2. Обзор методов исследования отрывных течений.

1.1.3. Физические представления о теплопередаче в областях отрывного течения.

12. Гидродинамика и теплоотдача в отрывных областях, вызванных наличием различного рода препятствий в потоке.

1.2.1. Каверна (вырез, траншея).

122 Прямой уступ.

12.3 Обратный уступ.

1.2.4 Ребро.

13 .Гидродинамика и теплоотдача трубных пучков.

1.3.1. Гидродинамика и теплоотдача от 1фугового цилиндра, обтекаемого в поперечном направлении.

1.3.2. Гщфодинамика и теплоотдача трубных пучков.

1.4. Выводы. Постановка задачи.

Глава 2. Аналитическое решение задачи.

2.1. Расчет комплексного потенциала для случая истечения жидкости из точечного источника в плоско-паралельном канале.

2.2. Расчет комплексного потенциала для струи в плоско-паралельном канале.

2.3. Модель плоско-паралельного струйного течения идеальной жидкости.

Глава 3. Численное моделирование.

3.1. Математическая модель.

3.2. Постановка задачи для численного решения.

3.3. Результаты численного решения.

3.3.1. Влияние скорости набегающего потока на характер течения и теплоотдачу за уступом.

3.3.2. Влияние шага решетки на основные гидродинамические свойства и характеристики теплообмена.

3.3.3. Влияние ширины уступа на основные гидродинамические свойства и характеристики теплообмена.

Глава 4. Методика проведения эксперимента и обработка экспериментальных данных.

4.1. Описание экспериментальной установки.

4.2. Методика измерений.

4.3. Методика обработки экспериментальных данных.

4.4. Оценка погрешности измерений.

4.4.1, Погрешность прямых измерений.

4.4.2. Погрешность косвенных измерений.

4.5. Методика проведения опытов.

Глава 5. Результаты экспериментального исследования отрывных зон трубных пучков, вызванных наличием уступа.

5.1. Исследование влияние скорости течения охлаждающей жидкости на характер течения и КТО.

5.2. Исследование влияние относительной ширины уступа и шага решетки на характер течения, коэффициент теплоотдачи и поле температур.

Глава 6. Сопоставление экспериментальных данных с численными расчетами.

6.1. Сравнение гидродинамических параметров за уступом, полученных численными, с экспериментальными данными.

6.2. Сравнение тепловых параметров за уступом, полученных численными методами, с экспериментальными данными.

В теплоэнергетике и различных областях техники находит широкое применение трубчатые теплообменники, следовательно, вопросам теплоотдачи и гидродинамики обтекаемых трубных пучков уделяется значительное внимание. Несмотря на то, что методы расчета гидродинамических параметров течения жидкости в теплообменных аппАатах и условий теплообмена стремительно совершенствуются, течения в отрьганых зонах потока (внезапное расширение, плохо обтекаемые прештствия и т.п.) требуют к себе особого внимания, так как именно в этих зонах возникает опасность перегрева труб, повьппенной скорости солеотложений, уменьшение теплосъема и т.п.

В настояш;ее время такие вопросы как течение за уступом и теплоотдача при обтекании трубного пучка достаточно хорошо изучены, но комплексная задача гидродинамики и теплоотдачи непофедственно в отрывных зонах трубных пучков и в данное время хфедставляет интерес.

Отрывные течения хотя и относятся к наиболее часто встречающимся, но в тоже время наиболее трудны для исследования движения реальной шщкости. Полный расчег отрывных течений представляет собой сложную задачу, несмотря на все достижения гидромеханики.

В настоящее время для изучения вихревых зон все чаще стал использоваться численный эксперимент, но в тоже время становится очевидным невозможность полного численного моделирования отрывных течений. Для боле полного шучения данного вопроса необходимо четкое представление о физической картине и особенностях отрывного течения, В связи с этим, возникает необходимость комплексного рассмотрения вопросов, возникающих при изучении теплопереноса в отрывньк потоках.

Аюуальность работы определяется необходимостью расширенного изучения течения охлаждающей жидкости в отрывных зонах, так как именно в подобных частях теплообменников возникает опасность перегрева труб, повышенной скорости солеотложений, уменьшение теплосъема.

Научная новизна работы:

1. Впервые дана комплексная оценка течений в зоне отрыва потока; ползАены значения скоростей, температур, коэффициентов теплоотдачи в различных ее точках.

2. Полученные результаты существенно расширяют диапазон исследований отрывных течений по сравнению с ранее достигнутыми результатами в области тепломассопереноса.

3. При рассмотрении проблемы использованы три основных подхода: теоретический анализ течения на основе теории фильтрации, численное решение задачи на базе модели пористого тела и экспериментальное исследование на гидролотке с визуализацией течений и измерений полей скорости и температуры воды. Каждый из этих подходов хорошо известен, их комбинация существенно повышает качество достигнутых результатов.

Практическая ценность работы. На гидролотке проведено экспериментальное исследование течения жидкости, определены конфигурация застойной зоны, характер вихревого течения в этой зоне, получены значения коэффициента теплоотдачи в различных зонах трубного пучка.

Проведено тестирование разработанной в МЭИ щзограммы расчета гидродинамики и теплообмена "Aflow32", получены данные для корректировки этой программы.

Теоретическое и экспериментальное исследования позволяют оценить характер теплообмена в застойной зоне и учесть опасность солеотложений, дать рекомендации по учету их влияния на теплообмен.

Личный вклад. Постановка задачи, аналитическое решение задачи, численное решение при использовании программного пакета "Aflow32", методика проведения эксперимента, участие во всех экспериментальных исследованиях, обработка полученных опытных данных.

Достоверность научных выводов и положений диссертации основывается на обработке экспериментальных данных с определением погрешностей прямых и косвенных измерений.

Автор защищает:

- математическую модель течения невязкой жидкости за уступом, построенную при использовании теории функций комплексного переменного;

- результаты экспериментального исследования процессов гидродинамики и теплоотдачи в отрывных зонах трубных пучков;

- результаты теоретического исследования гидродинамики и теплоотдачи трубного пучка за уступом в сопоставлении с результатами эксперимента.

Апробация работы. Основное содержание диссертации отражено в 9 публикациях, доложено на семинарах и конференциях.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Объем работы 137 страниц, в том числе 62 рисунков, 10 таблиц и список литературы из 83 наименований.

9. Результаты исследования использованы заказчиком ОАО "КТЗ" при проектировании высокоэффективных теплообменных аппаратов с течением охлаждающей воды в межтрубном пространстве.

1. Терехов В.И., Ярыгина Н.И., Жданов Р.Ф. Воздействие внешней турбулентности на теплообмен в отрывном течении за обратным наклонным уступом // Труды второй Российской национальной конференции по теплообмену. Москва, 1998, Т.6. С.207-210.

2. Терехов В.И., Ярыгина Н.И. Теплообмен в отрывных областях турбулизированных потоков // Труды второй Российской национальной конференции по теплообмену. Москва, 1998, т.2. С.244-247.

3. Терехов В.И., Ярыгина Н.И., Жданов Р.Ф. Влияние внешней турбулентности на теплоотдачу в отрывном течении за единичным ребром и уступом // Тепломассообмен - ММФ-96.Т.1Ч.2. 1996. С.107-111.

4. Terekhov V.I., Yarygina N.I., Zhdanov R.F. Heat transfer in the separated and reattached flow behind rib and downward step during free stream turbulization // Pr. Of 4-th World Conf "Experimental Heat Transfer. Fluid Mechanics and Thermodynamics". Brussels. 1997. P. 1571-1577.

5. Ota Т., Nisiyma H. Correlation of maximum turbulent heat transfer coefficient in reattachment from region // Int. J. Heat Mass Transfer. V.30.N 6.1987. P. 1193-1200.

6. Леонтьев A.H., Ивин В.И., Грехов Л.В. Полуэмпирический способ оценки теплообмена в зонах отрыва турбулентного пограничного слоя // ИФЖ. Т.47. N 4. 1984. С.543-550.

7. Косенков В.И., Гладышев А.А., Егоров А.В. Особенности теплообмена Рециркуляционных областей при обтекании прямого уступа. // Труды 2-ой национальной конференции по теплообмену. Вынужденная конвекция. Т.2. М.:1998. С. 158-160.

8. Косенков В.И., Сергиевский Э.Д., Харламов С.Н., Гладышев А.А. Тепловые и гидродинамические характеристики при обтекании прямого уступа в канале. // Труды 1-ой национальной конференции по теплообмену. Вынужденная конвекция. Т.1. М.:1994. С. 146-151.

9. П. Чжен Отрывные течения. М.: Мир. Т. 1,2,3. 1972.

10. Chapmen D.R., Kuehn D.M., Larson Н.К., Investigation of separated flows in supersonic and subsonic streams with emphasis on the effect of transition, NAGATN 3869,1957.

11. Gadd G.E., Cope W.F., Attrige J.L., Heat transfer and skin-friction measurements at a mach number of 2.44 for a turbulent boundary layer on a flat surface and in regions of separated flow/ ARC R and M 3148 (Oct. 1958).

12. Charwat A.F., Dewey C.F., Roos J.N., Hits J.A., Investigation of separated flows. Part II: Flow in the cavity and heat transfer, J. Aeronaut. Sci., 28, № 7,pp. 513-527 (July 1961).

13. Thomann H. Measurement of heat transfer and recovery temperature in regions of separated flow at Mach number 1.8j Aeronautical Research Institute of Sweden, Rept 82,1959.

14. Roshko A., On the wake and drag of bluff bodies, J. Aeronaut. Sci., 22, № 2, pp. 124-132 (Feb. 1955).

15. Авраменко A.A. Теплообмен в зоне отрыва пограничного слоя // промышленная теплоэнергетика. ~ 1998. -20. N 4. С.20-22.

16. Зайчик Л.И., Нигматулин Б.И., Пермуков В.А. Закон турбулентного тепломассопереноса в области отрыва потока после расширения // Теплофизика высоких температур.- 1995. - 33. N4. - С.653-656.

17. Пермяков А.Б., Сугиров Д.У., Ержанов К.Ш. Исследование влияния перегородок с вырезами на теплообмен и аэродинамику в трубном пучке // Изв. Акад. пром. Экол. -1997. N. 3. С.95.

18. Naysmith А., Heat transfer and boundary layer measurements in a region of supersonic flow separation and reattachment, ARC 20601, May 1958.

19. Seban R.A., Dougherty D. Heat transfer to laminar turbulent boundary layers with constant and variable free stream velosity, Univ. of Calif, Inst, of Eng. Res., Ser. 41, Issue 13 (1954).

20. Seban R.A., Heat transfer and flow with separated and reattached boundary layers as produced by surface irregularities, Wright Air Development Center tech. Rept, 56-217, ASTIA Document N110447, May 1956.

21. Seban R.A., Emery A., Levy A., Heat transfer to separated and reattachment subsonic turbulent flow obtained downstream of surface step., J. Aerospace Sci., 809-814 (Dec. 1959).

22. Smith F.T., Laminar flow of an incompressible fluid past a bluff body: the separation, reattachment, eddy properties and drag. J/ Fluid Mech., vol 92, pp. 171-205,1979.

23. Stewartson K., Multistructured boundary layers on flat plates and Related bodies, in Adv. Appl. Mech., vol. 14, pp. 146-239,1974.

24. Broun S.N., Stewartson K. Laminar separation, Annu. Rev. Fluid Mech., vol.1, pp. 45-72, 1969.

25. Williams J.C., III, Incompressible boundary-layer separation, Annu. Rev. Fluid Mech., vol.9, pp. 13-32,1977.

26. Жукаускас A.A. Теплопередача и тепловое моделирование.- М.: изд-во АН СССР, 1959, с. 201-212.

27. Perkins Н., Leppert G., Local heat transfer coefficients on a uniformly heated cylinder, -hit. J. Heat and Mass Transfer, 1964, Vol. 7, N 2, p. 143-158.

28. Справочник по теплообменникам, М:, Энергоатомиздат, 1987, т. 1,2.

29. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С., Теплопередача, М:, Энергоиздат, 1981.

30. Исаченко В.П. Саломзода Ф. Теплоэнергетика, 1969, N 5, с. 84-87.

31. Жукаускас А.А., Шланчаускас А.А., Теплоэнергетика, 1961, N 2, с.72-75.

32. Зельдович Я.Б., Яглом И.М., Высшая математика для начинающих физиков и техников, М:, Наука, 1982, с .510.

33. Сычев В.В., Рубан А.И., Сычев В.В., Королев Г.Л. Асимптотическая теория отрывных течений, М., Наука, 1987, с. 254.

34. Thomann Н. Measwement of heat transfer and recovery temperature in regions of separated flow at Mach number 1.8, Aeronautical Research Institute of Sweden, Rept 82,1959.

35. Кейс B.M., Лондон А.Л. Компактнью теплообменники. - М., Энергия, 1967, 223с.

36. Куликов А.Н., Лошкарева Е.А. Математическая модель течения идеальной жидкости в канале с внезапным расширением // Труды всероссийской научно-технической конференщш "Создание прогрессивных технологий, конструкций и систем и сощ1ально-экономические проблемы производства", Калуга, 22-24.12.98 г.: Облиздат, 1998, с. 231.

37. Мильман О.О., Лошкарева Е.А. Математическое моделирование течения жидкости в отрывных зонах трубных пучков // Труды всероссийской научно-технической конференции "Создание прогрессивных технологий, конструкций и систем и социальноэкономические проблемы производства", Калуга, 22-24.12.98 г.: Облиздет, 1998, с.230.

38. Мильман 0.0. , Артемов В.И. , Лошкарева Е.А. Численное моделирование течения жидкости в отрывных зонах трубных пучков теплообменных аппаратов // Труды ХП ппсолы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева, Москва, 25-28.05.99 г., Изд-во МЭИ, 1999, с. 308-311.

39. Мильман О.О., Озеран Т.Н., Куликов А.Н., Лошкарева Е.А. Теоретическое и экспериментальное исследование тепломассопереноса и гидродинамики в застойных и вихревых зонах теплообменников // Труды регионального конкурса научных проектов в области естественных наук, Калуга, 2000, с. 117-132

40. Шкловер Г.Г., Мильман О.О. Исследование и расчет конденсационных устройств паровых турбин. -М., Энергоатомиздат, 1985, 240с.

41. Правила измерения расхода газов и жидкостей стандартными сужающими устройствами РД-50-213-80, М., Изд-во стандартов, 1982, 318с.

42. Зайдель А.Н. Элементарные оценки ошибок измерений. Л., Наука, 1974, 84с.

43. Шенк X. Теория инженерного эксперимента. М., Мир, 1972,381с.

44. Константинов Ю.М. Гидравлика. Киев, Вища школа, 1981.

45. Жукаускас A.A. Конвективный перенос в теплообменниках. - М., Наука, 1982, 472с.

46. Гогиш Л.В., Степанов Г.Ю. Отрывные и кавигационные течения. М.: Наука, 1990.

47. Краснов Н.Ф., Кошевой В.Н., Калугин В.Т. Аэродинамика отрывных течений. М.: Высшая школа, 1988.

48. Мазо A.C. Маршевый метод расчета вязкого течения с небольшими отрывными зонами в канале на основе параболизованных уравнений Навье-Стокса// Пограничный слой. М., ЦИАМ. 1991 Вып. 4.

49. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости. М.: Энергоатомиздат, 1984.

50. Андерсон Д., Таннехилл Дж., Плетчер Р. Вычислительная гидромеханника и теплообмен: Пер. с англ. М.: Мир, 1990.

51. Уитфилд Д.Л., Сваффорд Т.В., Джекокс Т.Д. Расчет турбулентных пограничных слоев с отрывом, присоединением и вязко-невязким взаимодействием// Ракетная техника и космонавтика, 1981. Т. 19, №11. С. 60-69.

52. Гогиш Л.В., Степанов Г.Ю. Турбулентные отрывные течения. М.: Наука, 1979.

53. Подвидз Г.Л., Степанов Г.Ю. Расчет двухмерного обтекания решетки вязкой насжимаемой жидкостью с отрывом на входной кромке// Изв. АН СССР. МЖГ. 1983. №3. С34-44.

54. Совершенный В.Д., Алексин В.А. О расчете пограничного слоя на профилях при наличии зон ламинарного и турбулентного режимов течения// Изв. вузов. Сер. Авиационная техника. 1983. №2. С68-72.

55. Математическое моделирование плоскопараллельного отрывного обтекания тел/ Под ред. С.Н. Белоцерковского. М.: Наука 1988.

56. Васильев В.И., Хохлов С. В. Шальман Е.Ю. Применение теории пограничного слоя для расчета отрывных течений// Пограничный слой. М., ЦИАМ. 1990. Вып. 4. С. 60-83 (Тр. ЦИАМ № 1252).

57. Белов И.А. Модели турбулентности. Л; Ленинградский механический ин-т, 1982.

58. Майорский Е.В., Гарагуля Б.А. Экспериментальные исследования отрыва потока в сверхзвуковых решетках профилей последних ступеней мощных паровых турбин// Тр. МЭИ. 1984. Вып. 623. С42-49.

59. Барно К., Лебеф СВ., Папайлу Л. Исследование вторичных течений в решетках профилей турбомашин.// Энергетические машины и установки. 1982. №2. С120.

60. Токунов A.M., Тихомиров Б.А., Черныш A.A. Управление вторичными течениями в лопаточных венцах осевых турбин// Теплоэнергетика. 1991. №5.

61. Токунов А.М., Тихомиров Б.А. Управление потоком в тепловых турбинах. Л.: Машиностроение, 1979.

62. Дейч М.Е. Техническая газодинамика. М.: Энергия, 1974.

63. Гречаниченко Ю.В., Нестеренко В.А. Вторичные течения в решетках турбомашин. Харьков: Вища школа, 1983.

64. Антонов А.Н., Купцов В.Н., Комков В.В. Пульсация давления при струйных и отрывных течениях. М.: Машиностроение, 1990.

65. Дейч М.Е., Гайдуков В.И., Дахнович A.A. Вторичные течения в рабочих решетках турбин при околозвуковых и сверхзвуковых скоростях/Яр. МЭИ. 1972. Вып. 127. Cl 1-19.

66. Дейч М.Е., Куршаков А.Е., Леонов В.М., Тищенко A.A. Пульсационные характеристики конденсационного процесса в вихревых следах// Изв. АН СССР. Сер. Энергетика и транспорт. 1985. №1. С93-105.

67. Гленсдорф П., Пригожий И. Термодинамическая теория структуры, устойчивости и флуктуации: Пер. с англ. М.: Мир, 1973.

68. Гиневский A.C. Теория турбулентных струй и следов. Интегральные методы расчета. М.: Машиностроение, 1969.

69. Дейч М.Е., Филиппов Г. А. Двухфазные течения в элементах теплоэнергетического оборудования. М.: Энергоатомиздат, 1987.

70. Дейч М.Е., Филиппов Г.А. Газодинамика двухфазных сред. М.: Энергоатомиздат, 1981.

71. Газовая динамика. Механика жидкости и газа/ Под ред. Леонтьева А.И. М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1997.

72. Жукаускас А., Улинскас Р., Катинас В. Гидродинамика и вибрации обтекаемых пучков труб. Вильнюс: Мокслас. 1984.

73. Антикайн П.А., Аронович М.С., Бакластов А,М., Гордеев М.В. Рекуперативные теплообменные аппараты. М.: Госэнергоиздат.

74. Белоцерковский О.М., Давыдов Ю.М. Метод крупных частиц в газовой динамике. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы. 1982.

75. Мшш-Томсон Л.М. Теоретическая гидродинамика: Пер. с англ. М.: Мир. 1964.

76. Жукаускас A.A. Когнвективный перенос в теплообменниках. М,: Наука, 1982.

77. Лаврентьев М.А., Шабат Б.В. Методы теории функций комплексного переменного. М.: Гос. издат. Технико-теоретческой литературы. 1951.

78. Привалов И.И. Введение в теорию функций комплексного переменного. М.: Наука. 1977.

79. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука. 1987.

80. Фрост У., Моулден Т. Турбулентность. Принципы и применения. М.: Мир. 1980.

81. Соломенцев Е.Д. Функции комплексного переменного и их применения. М.: Высшая школа. 1988.

82. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука. 1974.

130

83. Горлин СМ. Влияние начальной турбулентности на обтекание гладких и шероховатых цилиндров.// Науч. докл. конф. ин-та механики МГУ. 1970.

Заключение

1. Разработана математическая модель, проведено теоретическое исследование течения жидкости в плоско-параллельном канале с внезапным расширением. Задача решена для случая точечного источника и континуума источников; получены линии тока, критические точки, выделены зоны возвратного течения.

2. С использованием программы '•Айо\у32" дано численное решение задачи обтекания трубного пучка теплообменного аппарата с наличием застойной или вихревой зоны. Приведены результаты численного решения, свидетельствуюпще об образовании за уступом отрьюных зон (при определенных геометрических параметрах) и о падении значений коэффициента теплоотдачи в отрывных зонах.

3. Разработаны приборное обеспечение, методика эксперимента на гидролотке, определена область автомодельности параметров отрывных зон, исследован температурный режим потока, обоснованы способы измерения параметров поверхности нагрева и охлаждающей жидкости. Опыты проведены при граничных условиях второго рода (я='соп81).

4. На гидролотке проведено экспериментальное исследование течения жидкости, определена конфигурация застойной зоны, характер вихревого течения, значения коэффициента теплоотдачи в застойной зоне и в основном потоке. Показано, что в области повышенной турбулентности потока воды при внезапном расппфснии имеет место заметное, в 1,23-ь1,31 раза, повышение значения коэффициента теплоотдачи. Вместе с тем в пристенной зоне коэффициент теплоотдачи в 2,5 -г 3 раза меньше, чем в основном потоке.

21 . 2

5. Результаты экспериментов обобщены для коЗОООО при трубных пучков в диапазоне шагов — = 1,36Л4,09. Выделены три зоны течения после уступа: основной поток, граничная зона повышенной т)фбулентности и отрывная зона.

6. Нагрев воды в отрывной зоне в 1,5 -Л 1,7 раза превышает нагрев воды в основном потоке, что наряду с уменьшением коэффициента теплоотдачи способствует солеотложению. Результаты расчета и эксперимента сопоставлены между собой.

121

7. Получено хорошее качественное соответствие результатов в процессе экспериментального исследования и численных расчетов. В тоже время были обнаружены некоторые разногласия в количественных оценках, что позволяет наметить пути совершенствования программы на основе экспериментальных данных

8. Теоретическое и экспериментальное исследования позволяют оценить характер теплообмена в застойной зоне и учесть опасность солеотложений, дать рекомевдации по учету их влияния на теплообмен.