Исследование характеристик турбулентности и теплообмена за обратным уступом в щелевом канале тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР

На правах рукописи УДК 532.526

Комаров Павел Леонидович

ИССЛВДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ТУРБУЛЕНТНОСТИ И ТЕПЛООБМЕН \ ЗА ОБРАТНЫМ УСТУПОМ В ЩЕЛЕВОМ КАНАЛЕ

Специальность 01.04.14 Теплофизика и молекулярная физика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1995

Работа выполнена в Институте высоких температур РАН

Научный руководитель: доктор технических наук Л.Ф.Поляков

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор В.П.Мотулевич

кандидат физико-математических наук Г.И.Кикнадзе

• Ведущая организация: МГТУ имени Н.Э.Баумана

Защита диссертации состоится час.

на заседании диссертационного совета К 002.53.02 Института высоких температур РАН по адресу: 127412, Москва, ул. Ижорская, 13/19, ИВТАН

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИВТАН

Ваш отзыв на автореферат в 2-х экз., заверенный печатью, просим выслать по адресу: 127412, Москва, ул. Ижорская, 13/19, ИВТАН; ученому секретарю диссертационного совета К 002.53.02

Автореферат разослав

1996г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук

Медвецкая Н.В.

Общая характеристика работы

Актуальность работы определяется практической необходимостью иметь полный объем надежной экспериментальной информации для совершенствования расчетных моделей отрывных течений, имеющих место в ядерных реакторах, газовых турбинах, камерах сгорания, электронной аппаратуре и других устройствах теплоэнергетического оборудования.

Целью работы являются:

- получение экспериментальных данных дла создания новых и тестирования су-ществующйх'модеЛей турбулентности за обратным уступом в плоском канале;

- - выясненпе-'.причин аномального поведения максимальных значений пульсаций скорости и немонотонного роста поперечного размера свободного сдвигового слоя в области, отрыва пстрка;

- количественная оценка границ характерных областей изучаемого течения, исследование гидродинамики я теплопереноса в области вторичного рециркуляционного вихря;

Научная нззизна работы состоит з следующем:

1. Создана экспериментальная установка с автоматизированной системой измерений полей скорости и температуры на базе лазерного доплеровского анемометра и термометра сопротивления фирмы ОаШес (Дания), позволившая с высоким пространственным разрешением получить поля турбулентных характеристик течения за обратным уступом в щелевом канале.

2. Предложены аппроксимационные зависимости для характерных точек осред-ненного поля скорости, которые позволили количественно оценить границы основного и вторичного рециркуляционных вихрей, а также координаты их центров.

3. Доказано существование второго максимума на профилях пульсационных характеристик скорости, причиной которого является поперечный конвективный перенос турбулентной энергии свободного сдвигового слря в зону основного рециркуляционного вихря. Показано, что именно он является причиной немонотонного роста размеров свободного сдвигового слоя и несовпадения положения максимумов пульсационных характеристик с точкой присоединения течения.

4. Совместный анализ полей скорости и температуры привел к выводу о том, что максимумы температурных характеристик, выявленных в угловой зоне уступа, своим существованием обязаны взаимодействию различных по температуре основного и вторичного рециркуляционных вихрей вдоль их общей границы.

Практическая ценность работы определяется новыми представлениями о структуре течения в зоне отрыва, а также полным набором экспериментально полученных

величин, необходимых для тестирования существующих и разработки новых моделей турбулентности. _ -

Апробация работы.

Результаты работы были представлены на российско-английском семинаре (Турбулентная конвекция, Москва, ИВТАН, 1989 г.), II минском международном форуме по тепло- и массообмену (Минск, 1992 г.), международной конференции (10th International Heat Transfer Conference, Brighton, UK, 1994), 1 российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 1994 г.), а.также на двух школах молодых ученых и специалистов "Современные проблемы теплофизики" (Украина, Ка-нев, 1989 г.), (Новосибирск, 1990 г.).

Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 6 печатных работ, они использованы в 4 научно-технических отчетах.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы. По объему работа состоит из 70 страниц, включая 95 рисунков и 1 таблицу по тексту диссертации. Библиография содержит 49 наименований.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность исследуемого вопроса, указаны причины, ' которые до последнего времени сдерживали экспериментальные исследования, подобные данной работе, перечислены основные положения, выносимые автором на защиту.

В первой главе на основании имеющихся в литературе экспериментальных данных дан обзор достижений в изучении гидродинамики и теплообмена в отрывных течениях за обратным уступом. Завершает главу постановка задачи данного исследования.

По результатам проведенных измерений к настоящему времени сло-, жилась определенная картина течения, представленная на рис.1. Зону отрывного течения можно разделить на 4 области: оторвавшийся сдвиговый Слой (I), область присоединения потока к поверхности (II), область рециркуляции течения (III), область релаксации течения (IV).

I 2

Рис.1 Схема развития течения после отрыва.

-АХ N

Рис.2 Изменение толщины свободного сдвигового слоя за уступом (1) и плоского слоя смешения (2).

К настоящему времени известно, что оторвявшийся сдвиговый слой на начальном участке по своим гидродинамическим и температурным характеристикам сходен с плоским слоем смешения. Его размеры в поперечном направлении возрастают пропорционально расстоянию от кромки уступа. Однако с приближением к точке присоединения размеры свободного сдвигового слоя увеличиваются значительно быстрее (прямая 1 на рис.2), чем в случае плоских слоев (прямая 2 на рис.2). В зоне релаксации темпы роста снижаются до первоначального значения. Профили осредненных значений продольной скорости и температуры в случае учета нелинейности роста размеров сдвигового слоя могут быть описаны автомодельными зависимостями, подобными зависимостям для плоского слоя смешения, кроме области, прилегающей к рециркуляционному вихрю. Однако причины такой нелинейности роста пока не установлены.

Область присоединении .представляет собой область взаимодействия вихревых структур свободного сдвигового слоя со стенкой канала. По литературным данным мгновенная точка присоединения потока, обусловленная ударом вихря о твердую поверхность, может располагаться на одну высоту уступа вверх или вниз по потоку от своего среднего положения. Координата средней точки по результатам большого числа исследований зависит от целого ряда параметров течения, таких как состояние и толщина отрывающегося пограничного слоя, масштаба турбулентных пульсаций перед отрывом, градиента давления, относительной ширины канала. В связи со сложностью рассматриваемого течения невозможно предложить универсальную зависимость, учитывающую перечисленные факторы, одпако большинство экспериментальных значений ее координаты лежат в пределах от 5 до 8 высот уступа.

Указанное взаимодействие вихрей с охлаждаемой поверхностью приводит к максимуму теплоотдачи в области присоединения течения. Величина максимума, как п координата точки присоединения, зависит от множества факторов, тем не менее в большинстве работ его значение пропорционально числу Яе в степени «>0.7. Резучь-таты измерений пульсационных характеристик (рис.3) показывают, что максимумы касательного и нормальных напряжений Рейнольдса сдвинуты вверх по потоку от средней точки присоединения на 1.5 высоты уступа. Примечательно то, что именно здесь они наиболее близхо подходят к стенке канала, удаляясь от нее уже и области присоединения. Этот экспериментальный результат, полученный во многих работах, противоречит общепринятой схеме раззитня течения за уступом, когда вихревые

структуры свободного сдвигового слоя увеличиваются в размерах по-мере удаления от' точки отрыва и следовательно максимальные значения пульсационных характеристик должны находиться в области присоединения потока.

Рециркулааионнаа область расположена под оторвавшимся- сдвиговым слоем и характеризуется большой степенью турбулизации потока. Средняя скорость возвратного течения составляет примерно 20% скорости набегающего потока.. Наиболее интересной для исследования теплообменных процессов в отрывных течениях является пристеночная область рециркуляционной зоны, которая определяется как слой жидкости, движущейся в обратном направлении между твердой поверхностью и поверхностью, на которой скорость возвратного движения максимальна. Несмотря на большую неустойчивость течения профили ос-редненной скорости в этой области по форме более близки к ламинарному пограничному слою, чем к турбулентному. Этот факт объясняется ламинаризацией течения при его ускорении в пристенной зоне за счет высоких значений отрицательного градиента, давления. Высокий уровень пульсаций скорости и низкие значения касательного напряжения Рейнольдса свидетельствуют о наведенной турбулентности вблизи стенки основиым рециркуляционным вихрем.

Местные коэффициенты теплоотдачи в области рециркуляции выше, чем в не-возмущеном течении, за исключением угловой области уступа длинной около 2Л, где рбразуется вторичное рециркуляционное течение. По результатам измерений в пристенной области течения нормальный к поверхности турбулентный поток тепла мал по сравнению с продольным переносом вверх по потоку. Таким, образом теплоотвод здесь происходит в два этапа. Сначала тепло от стенки отводится возвратным течением, которое, совершив полуоборот, выносит его в свободный сдвиговый слой, а тот в свою очередь передает тепло во внешний поток.

Существование в угловой воне уступа минимума коэффициента теплоотдачи, наблюдаемая тамыаксимальная. интенсивность пульсаций температуры указывают на шшвние вторичного рециркуляционного вихря на структуру теплопереноса в отрывком неизотермическом течении. Однако подробные измерения гидродинамических и температурных характеристик в этой зоне в литературе отсутствуют.

рблаеть рр-лдкеяпиц пограничного слоя берет свое качало за зоной присоединения вниз по потоку. Развивающийся новый подслой приобретает черты равновесного

Рис.3 Максимальные значения интенсивности пульсаций продольной скорости по данным различных авторов.

)

о

пограничного слоя достаточно медленно и на расстояниях, достигающих 50 высот уступа вниз по течению, характеристики в пристенной области течения отличаются 01 их стабилизированных значений. Имеющиеся в литературе данные показывают, чш восстановление пограничного слоя происходит при сильном влиянии крупномасштабных турбулентных структур свободного сдвигового слоя, распространяющихся вниз по течению в ядре потока. Теплоперенос в такой ситуации подобен теплопереносу в равновесном пограничном слое с турбулизированным вйешним течением, что приводит к бо^ее низким темпам стабилизации коеффициента теплоотдачи по сравнению с развивающимся невозмущенным турбулентным пограничным слоем.- .-

Проведенный анализ имеющихся экспериментальных данных показал отсутствие комплексных измерений полей скорости, температуры и их пульсационных характеристик с высоким пространственным разрешением, что является причиной несогласованности некоторых результатов исследований. Целью данной работы являлось проведение подробных измерений при обтекания обратного уступа в кольцевом канале при различных скоростях набегающего потока воздуха. Кроме того ставились задачи по количественной оценке границ характерных областей изучаемого течения и получению информации для малоисследованной области вторичного рециркуляционного вихря.

Во второй главе дается подробное описание метода исследования гидродинамики и теплообмена в зоне отрыва.

Экспериментальная установка представляла собой разомкнутый воздушный кон- • тур, состоящий из газодувки РГН-3000, байпасной и магистральной заслонок, позволяющих дистанционно регулировать расход воздуха через контур, рессивера с фильтром, необходимого для гашения пульсаций от газодувки и очистки поступающего воздуха, опытного участка с входной секцией. Для защиты от проникновения крупномасштабных возмущений, образующихся во входной секции, опытный участок на входе имел хонейкомб. Расход воздуха расчитывался по показаниям дифференциального манометра, связанного с расходомерным устройством, установленным между рессивером й опытным участком.

Опытный участок представлял собой кольцевой канал, образованный коаксииль-но расположенными трубой из нержавеющей стали диаметром Т&.Ьмм и внутренней цилиндрической вставкой из дюралюминия диаметром Такое соотношение ди-

аметроз позволяло проводить исследования н приближении плоского канала н при :тенных его областях. Отсутствие боковых граней, обеспечивающее полностью диу мерное течение, и максимальное приближение измерительного объема ЛДЛ к вн)т-ренней стенке канала делали кольцевую геометрию опытного участка предпочттель нее плоской конфигурации.

Вертикальное расположение опытной) участка позволяло ограничиться двумя .течениями центровки внутренней вставки' относительно наружной трубы для сохране

ния заданной геометрии канала на протяжении всей его длины x/d3 — 80. Обратный уступ, расположенный на внутренней поверхности канала, лежал в области полной гидродинамической стабилизации потока при x/da — 60. Внутренняя вставка с обратным уступом могла перемещаться вдоль оси опытного участка при помощи механизма перемещения 57Н11 фирмы Dantec, что обеспечивало установку заданного значения продольной координаты, отсчитываемой от уступа, в измерительном сКчении опытного участка. *

Измерительное сечение представляло собой щель в наружной стенке канала шириной 6мм для ввода и вывода-зондирующих лучей ЛДА. Она была герметично закрыта прозрачными окнами измерительной секции, изготовленной из текстолита в виде разрезного фланца с выфрезерованной полостью, который.крепился на опытном участке с помощью стягивающих шпилек. В непосредственной близости от измерительного объема ЛДА вниз по потоку располагался чувствительный элемент датчика термометра сопротивления, необходимого для температурных измерений в неизотермическом потоке воздуха.

Обогреваемый участок с граничным условием qc = const располагался за обратным уступом на протяжении 40к. ббогрев осуществлялся путем непосредственного пропускания переменного электрического тока по фольге толщиной ОЛмм, приклее-ной эпоксидным клеем к полой текстолитовой основе диаметром 38мм. Таким образом измеренная высота уступа с учетом толщин клея и фольги была равна 4.&мм.

Измерения распределения температуры вдоль обогреваемого участка осуществ- ■ лялись с помощью 30. хромель-алюмелевых термопар, изготовленных из проводов диаметром 0.2мм, которые были приварены к внутренней поверхности фольги для обеспечения надежного теплового контакта. Причем 24 термопары располагались по длине опытного участка на одной образующей, а 6 термопар были установлены в трех различных сечениях иа двух других образующих, смещенных относительно главной на £ 120град. ,. Они позволяли контролировать симметрию температурного поля на обогреваемой поверхности. .

Определение числа Re и местного числа Nu осуществлялось с помощью автоматизированной системы измерений, включающей компьютер IBM РС/АТ-286, муль-тиыетр HP 3400, сканер HP 3405, термоанемометрическую систему 56С00 с вольтметром средних значений 56N22 и'некоторое вспомогательное оборудование. Погрешность определения числа Re не превышала 3.8%, числа Nu - 4.9%. Максимальная погрешность определения -числа Nu в местах высоких продольных перетечек тепла оценивалась в 6.9%.

В настоящее время наиболее перспективным методом измерения статистических характеристик поля скорости течения в прозрачных средах является метод лазерной доплеровской анемометрии. Главным его достоинством является возможность как

ввода зонда, необходимого в большинстве других методов, так и тарировок, что полностью исключает обусловленную ими погрешность. В исследовании отрывных течений ЛДА является, по-видимому, единственным корректным методом получения информации из областей с высоким уровнем турбулентности и изменением направления потока. В качестве измерителя поля температур был выбран платиновый термометр сопротивления с диаметром чувствительного элемента 1мкм, обладающий линейной передаточной функцией и высокой частотной разрешающей способностью.

Реализация указанных методов в данной работе была осуществлена на базе оборудования фирмы ОаШес, которое включало двухцветную ЛДА систему 55X00, позволяющую одновременно измерять две компоненты мгновенной скорости потока, термоанемометр 56С01 с мостом 56С20, работающий в режиме термометра сопротивления, а также автоматизированную систему обработки и анализа сигналов. Для засеяния потока воздуха, поступающего в опытный участок, использовался генератор частиц 551Л7, работающий на смеси глицерина с водой. Совместный измерительный объем ЛДА и ТС в экспериментах не превышал 0.07 хО.Ю х 1.0 мм.

Рассеяпый пересекающими измерительный объем частицами свет собирался оптикой ФЭУ, преобразовывался в электрический сигнал и поступал на вход двух ка-унте ров-процессоров доплеровского сигнала 571.90а, которые измеряли доплеровский сдвиг частоты от каждой пролетевшей частицы. Электрические сигналы с аналоговых выходов каунтеров и термометра сопротивления поступали на систему вторичной обработки 56Ы00, состоящую из мультиплексора, вольтметра средних значений 5б^2, коррелптора 5бЖ0. Разработанный пакет программ позволял контроллеру системы обеспечивать'последовательность подключения каналов, управлять работой трех сигнал-кондиционеров 5бЫ20, применяемых для фильтрации и усиления анализируемых сигналов, устанавливать время интегрирования приборов и считывать данные в оперативную память для последующей их обработки. Два траверсных модуля механизма перемещения 57Н00 позволяли в автоматическом режиме сканировать измерительный объем по всему полю исследуемого течения с точностью ± 10мкм. При этом один из них перемещал фокусирующую 'линзу ЛДА1, ФЭУ и зонд термометра сопротивления, а другой устанавливал внутренюю вставку с уступом на заданном расстоянии относительно измерительного сечения опытного участка.

Измеренные таким образом осредненные компоненты скорости и температура имели погрешность 4%, среднеквадратичные значения их пульсаций - 9%, касательное напряжение Рейнольдса - 13%. Дифференцирование осредненных полей скорости для расчета членов уравнения балансу кинетической энергии турбулентности проводилось с использованием сглаживающих кубических сплайнов с погрешностью не хуже 10%.,

С целью снижения погрешности измерений, связанной с неопределенностью положения измерительного объема ЛДА в потоке, был предложен метод определения

координаты измерительного объема относительно стенки канала. Он основан на использовании однониточного датчика термоанемометра для фиксации положений электропроводной стенки опытного участка по электрическому контакту с его державками и центра измерительного объема по максимуму видности дифракционной картины, возникающей за счет пересечения лазерных лучей его нитью. Проведенные методические измерения показали, что предложенный метод позволяет определять координату центра измерительного объема ЛДА с точностью не хуже ± [Омкм.

Для контроля состояния турбулентного набегающего потока .были проведены измерения профилей осредненной продольной скорости и интенсивности ее' пульсаций за 5 высот уступа до точки отрыва. Полученные опытные данные совпадают как с универсальной логарифмической зависимостью, справедливой для профиля осредненной скорости в развитом турбулентном течении, так с термоанемометрическими измерениями интенсивности пульсаций скорости в плоском канале и в пограничном слое на пластине, что позволяет использовать предлагаемый кольцевой канал для исследования гидродинамических и тепловых характеристик в приближении плоской геометрии.

В третьей главе на основании полученных экспериментальных данных анализируется структура осредненного течения за уступом, дается объяснение поведению максимальных значений пульсационных характерйстик скорости.

В большинстве работ, посвященных отрывным течениям, приводятся схематические картины зоны отрыва, носящие как правило качественный характер. Однако для разработки расчетных моделей важно знать количественные оценки границ характерных областей течения, точки присоединения потока, центров основного и вторичного рециркуляционных вихрей. Для решения этой задачи были проведены 5 серий опытов в диапазоне чисел Reh = Uli/v от 2600 до 11200, причем две серии отличались повышенным пространственным разрешением.

Для выяснения вопроса о существовании трехмерных осредненных течений за уступом было рассчитано поле относительного значения тангенциальной производной тангенциальной компоненты скорости D = '^('l",), - , ■ где dW/dz вычис-

I dU/tlx I + I dV/dy I

лялась из уравнения неразрывности. Значения полученного поля не выявляют какой-либо организованной структуры и лежат в пределах погрешности определения производных («=12%), что доказывает отсутствие компоненты W с "квазистационарным" периодическим распределением по Z.

Проведенные измерения продольной скорости вблизи стенки позволили получить зависимость координаты осредненной точки присоединения от числа Рейнольд са

Хг = 4.6 + 0.071 {Reh ' Ю-3)

Измеренные значения Xr = xr/h лежат вблизи нижнёго предела известных из литературы данных.

Важной характеристикой отрывных течений является положение нулевых линий тока Ч* = 0, которые часто используют в качестве границ между основным потоком и рециркуляционной областью, а также между основным и вторичным рециркуляционными вихрями. Результаты данной работы не зависят от числа Re и хорошо аппроксимируются выражениями:

- основной вихрь

У = 1 - X3

- вторичный вихрь

У = 2.5 (.V-0.4) (Л"-0.8)

где X = х/хг, Y = y/h.

С целью определения степени деформации и центров основного и вторичною вихрей были построены их оси (U =0, V = 0), которые не зависят от скорости набегающего потока и описываются выражениями:

- основной вихрь

У = I - IX + ЗХ2 - 2Х3 (продольная ось)

У = 1 - ^ (поперечная ось)

Х=0.41, У =0.54 (координаты центра)

- вторичный вихрь

У = 1.6 (X - 0.4) (X - 0.8) (продольная ось) Положение поперечной оси вторичного вихря установить не удалось вследстиии малых значений поперечной составляющей вектора скорости в этой области.

В качестве нижних границ вихрей можно рассматривать положение максимальной скорости возвратного течения:

- основной вихрь

У = 1 -2.8Х + 2.7Х2-0.9Х3

- вторичный вихрь

У = 0.8 (Х-0.4)(Х-0.8) Как рассмотренные выше линии, так и положение нижних границ вихрей не зависят от числа Рейнольдса (рис.4).

При построении моделей турбулентности двумерного отрывного течения наибольший интерес представляют закономерности распределения продольного к'2, по-

Рис.4 Структура осредненного течения за уступом. 1 - нулевые линии тока; 2 -продольные оси вихрей; 3 - нижние границы Ьихрей; 4 - поперечная ось вихря.

Рис.5 Распределение локальных максимумов касательного напряжения Рей-нольдса. Сплошная и пунктир - данные других авторов.

перечного v'2 нормальных и касательного u'v' напряжений Рейнольдса. Проведенные измерения позволили выявить ряд особенностей в их поведении. - *

На рис.5 приведены распределения локальных максимумов (максимумы на поперечных распределениях характеристик потока) касательного

. _л

напряжения u'v'/U за уступом при различных числах Re. На рис.6 представлены координаты указанных максимумов. Анализ данных позволяет разделить пространство за уступом на три области с различным характером изменения рассматриваемых величин. На первом участке наблюдается рост касательного напряжения по мере Удаления от уступа, причем с увеличением числа Re темп роста снижается. В этой области с увеличением расстояния от уступа локальные максимумы плавно приближаются к стенке канала. С переходом из области I в область II поведение значений

-- -п

локальных максимумов u'v /V и их координат качественно меняется. Величина максимумов резко увеличивается, достигая максимального значения в центре области И, которое располагается на 1.5Л вверх от точки присоединения, что согласуется с литературными данными. При этом поперечные координаты локальных максимумов скачкообразно уменьшаются до >»0.5h, причем дальнейшее изменение их здесь незначительно. С ростом Re локальные максимумы

U.U и. О 1.U 1.5

располагаются дальше от стенки, а их

значения уменьшаются. РисЛ Профили касательного напряжения

Рейнольдса на границе I и II области течения при Reh =3900 ■

1.4

1.2 1.0 0.8 0.8 0.4 0.2

Y «и -—в г • III х

Vi 8 i ЧЙА / \ N Л

2.0

Рис.6 Координаты локальных максимумов касательного напряжения Рейнольдса. 1.....5 - см.рис.5; 6,7,8 - Ч< = 0, ¿/=0,

К = 0; 9,10 - положение оси и внешней границы свободного сдвигового слоя. ■

(u'v1) /U!

Xh-x/h

♦ - г.гв ■ - г.те

. - 2.75

\ ::г

•»

Для понимания причины такого поведения локальных, максимумов и их координат с переходом из области I в область II на рис.7 приведены распределения касательного напряжения непосредственно на границе указанных областей. Представленный график показывает быстрый рост ¡Fv 7/и1 в центральной зоне рециркуляционной области и постоянное его значение в области свободного сдвигового слоя по мере увеличения продольной координаты, что приводит к скачкообразному изменению положения локального максимума распределения напряжения Рейнольдса. Таким образом локальные максимумы областей I и И принадлежат к разным зонам рециркуляционного течения, а именно к зоне свободного сдвигового слоя в области I и центральной части рециркуляционного вихря в области II.

При переходе из области II в область III вновь наблюдается качественное изменение характера распределения значений локальных максимумов u'v'/U1 и их расстояния, от стенки канала. Проведенные измерения вблизи этой границы показывают смену положения максимума на поперечном профиле' касательных напряжений в обратном направлении, когда он из области рециркуляционного вихря перемещается в область свободного сдвигового течения. Продольная координата такого перемещения совпадает с координатой точки присоединения течения, что также подтверждает связь локальных максимумов пульсаций в области II с основным рециркуляционным вихрем.

Полученный результат заставляет отказаться от распространенной методики определения положения оси свободного сдвигового слоя по положению максимальных значений касательного напряжения Рейнольдса. Принятая ранее методика может привести к значительным ошибкам, что продемонстрировано на рис.8. Здесь представлены результаты . 'расчета полуширины ДК свободного сдвигового слоя за уступом (со стороны внешнего течения), когда за его - центр принимались координаты мак. симума u'v'/U2 и координаты второго максимума после Х> 0.5,. аппроксимированные на рис.6 прямой'линией. Если в первом случае получены завышенные значения А У, совпадающие с результатами ряда работ (прямая 3), то во втором случае нарастание толщины свободного сдвигового слоя совпадает с теоретической зависимостью роста размеров плоек.>го слоя смешения (прямая 4), что позволяет сделать вывод о единой природе рассматриваемых течений.

' Рис.8 Изменение толщины свободного сдвигового слоя за уступом. 1,2 - центр слоя определен по положению максимального значения и второго максимума

77/и1-, з - о. 1 бД'л; 4 - 0.07злгл.

2 —7

Поведение распределений локальных максимумов продольного и /и и поперечного V /и нормальных напряжений Рейнольдса и их координат относительно стенки канала аналогично поведению касательного напряженна, что обусловлено одной физической природой рассматриваемых величин, а именно связью их максимумов в области II с основным рециркуляционным вихрем. Однако следует отметить

—1 —2

более плавный характер изменения

во всех трех областях течения, а также ~7 —2

независимость координат максимумов V /II от числа Яе в исследованном диапазоне его значений.

Для анализа причин возникновения второго максимума на профилях пульсаци-оняых характеристик были рассмотрены генерация

г _ -цУ - дС/ дУ . ц? Ш .

— 2 й' лу *"—2 ДУ

71 ак

и'

и

2 дХ ц2 дУ

и конвекция

турбулентной энергии исследуемого течения.

Анализ указанных членов уравнения баланса кинетической энергии турбулентности позволил обнаружить резкое возрастание притока энергии пульсаций за счет конвекции во внутренней области рециркуляционного вихря на границе I и II областей течения (рис.9), тогда как генерация на этом участке изменяется, слабо. Более детальное исследование поведения компонент конвективной составляющей показало, что ответственной за рост второго максимума на профилях пульсаций является попе-.

.. .. дк

речная компонента Ку - У ^р.

Полученные данные по касательному напряжению Рейнольдса позволили оценить результаты расчетных работ, использующих уравнение не-* реноса турбулентной вязкости V» и

Рис.9 Профили конвекции и генерации (пунктир) кинетической энергии на границе I и II областей течения.

3.0 -|

-0,032

I |* I I I 0.002 0.006

I I I |

0.010

Рис. 10 Сравнение экспериментальных и расчетных профилей касательного напряжения Рейнольдса.

традиционную "К—е" модель. Если в области ,1 результаты расчетов и экспериментов удовлетворительно согласуются друг с другом, то в области II наблюдается их качественное отличие. На рис.10 расчетные профили и'^/ТР' имеют гладкую форму, тогда как экспериментальные явно указывают на существование второго максимума или его следа в виде точки перегиба. Таким образом дальнейшее развитие расчетных моделей требует более полного учета изменения пульсационных характеристик в отрывной зоне за уступом.

В четвертой главе приведены опытные данные по локальным коэффициентам теплоотдачи за уступом при различных числах Не = 1/(1 э/у, лежащих в интервале от

2.5-10* до 8.8-10*. На рис.11 представлены максимальные значения числа расположенные в области присоединения течения, которые хорошо ап-роксимнруются степенной зависимостью

А'ишах =0.115Ле('-69

Аналогичные законы изменения Штах предложены в целом ряде работ, однако значение коэффициента колеблется в достаточно широком диапазоне. Это объясняется невозможностью описания теплообмена в сложном течении простым выражением, хотя показатель степени при числе Яе во всех случаях равен «»0.7. Проведенное сравнение полученных коэффициентов теплоотдачи в областях рециркуляции и релаксации потока с литературными данными также показало их хорошее соответствие друг с другом, что дало основание рассматривать изучаемое в данной работе неизотермическое течение характерным представителем подобного рода течений и • температуры и ее пульсаций считать общими для него.

Измеренное в данной, работе осредненное поле температуры Т = имеет

локальные максимум и минимум в области вторичной рециркуляции в угловой зоне уступа .(рис.12). Сравнение осредненных полей скорости и температуры, характерные изолинии которых показаны на рис.14, позволило определить центр вторичного вихря. Поступление холодных масс жидкости вдоль стенки обратного уступа к нагреваемой поверхности препятствует возникновению максимума температуры в этой об-

выявленные качественные особенности поля

ласти. Следовательно минимальное значение продольной координаты, при котором возникает максимум температуры, можно принять за координату, где поперечная скорость меняет свой знак. Зная продольную ось вторичного вихря из гидродинамических измерений, найдем, что его центр располагается в точке с координатами X = 0.10, У = 0.34. Локальные минимум и максимум поля температур объясняются взаимодействием горячего потока основного и холодного потока вторичного рециркуляционных вихрей на их общей границе (Ч* = 0).

В работе также было измерено поле интенсивности пульсаций температуры от ~ ^¡ /Х 8 Рециркуляционной зоне течения. На рис.. 13 показана область вблизи точки отрыва, где наряду с их максимумом в оторвавшемся сдвиговом слое наблюдается еще один локальный максимум около нагреваемой стенки канала в угловой зоне обратного уступа. На рис.14 сопоставлены характерные зоны осред-ненных полей скорости, температуы, а такх;е температурных пульсаций в этой области. Ось максимума интенсивности пульсаций проходит вдоль линии гидродинамического раздела основного и вторичного рециркуляционных вихрей (Ч> = 0), следовательно сеоим появлением си обязан взаимодействию двух потоков с различной температурой: более'горячей

Рис.12 Поле осредненной температуры в угловой зоне уступа.

Рис.13 Поле интенсивности пульсаций температуры в угловой зоне уступа.

Рис.14 Структура поля температуры и ее пульсаций в угловой зоне уступа. 1,2 -положение минимума, максимума интенсивности пульсаций; 3,4,5 - положение точки перегиба, максимума, минимума температуры; 6,7 - центры основного и вторичного вихрен; линии - структура осреднешшго течения (см.ркс.4).

основного и более холодной вторичного рециркуляционных движений жидкости.

Выводы

1. Создана экспериментальная установка с автоматизированной системой измерений полей скорости и температуры за обратным уступом в щелевом канале на базе лазерного доплеровского анемометра и термометра сопротивлений фирмы Башес (Дания), позволившая получить поля турбулентных характеристик с высоким пространственным разрешением. Разработанная методика определения координаты измерительного объема ЛДА относительно стенки' канала значительно снизила погрешность измерений, связанную с неопределенностью положения чувствительного элемента прибора в высокоградиентных областях пристенного течения.

2. На основании проведенных исследований получена структура осредненного течения за уступом в безразмерных координатах при различных числах Яе. Предложены аппроксимационные зависимости для характерных точек осредненного поля скорости, которые позволили количественно оценить границы основного и вторичного рециркуляционных вихрей, а также координаты их. центров.

3. Выявлены особенности полей пульсационных характеристик скорости, главной из которых является существование второго максимума на поперечных профилях интенсивности пульсаций продольной компоненты вектора скорости и касательного напряжения Рейнольдса в области между центром основного вихря и точкой присоединения течения. Показано, что именно он является причиной немонотонного роста размеров свободного сдвигового слоя и несовпадения положения максимумов пульсационных характеристик с точкой присоединения течения.

,4. На основании опытных данных получены распределения генерации и конвекции турбулентной кинетической энергии в характерных областях отрывного течения, анализ которых указывает на причину возникновения второго максимума на профиЛях пульсаций скорости. Такой причиной является конвективный перенос энергии турбулентности из сдвигового слоя в зону основного рециркуляционного вихря за счет поперечного осредненного движения жидкости.

5. Измерены локальные коэффициенты теплоотдачи за уступом при различных числах Яе. Получена зависимость максимального значения числа М* от числа Яс.

6. С высоким пространственным разрешением получены экспериментальные данные по структуре температурного поля за уступом при цс => айы. Выявлено.существование максимума как на поле осредненной температуры, так и на поле интенсивности ее пульсаций в угловой зоне уступа.

7. Совместный анализ полей скорости и температуры показал, что максимумы температурных характеристик своим существованием обязаны взаимодействию основного и вторичного рециркуляционных вихрен вдоль их общей границы. Получсн-

ные распределения температуры в угловой зоне уступа позволили оценить координаты центра вторичного вихря.

Публикации по теме диссертации:

1. Komarow P.L., Shindin S.A. Automated System for Measuring Statistical'Charac-teristics of Turbulence in Nonisothermal Flows of Liquid and Gas // Thermo- and Laser Anemometry, Hemisphere Publ.Co., USA, 1989, pp.151-159.

2. Комаров П.Л., Поляков А.Ф. Экспериментальное исследование турбулентного переноса импульса и теплоты в зоне рециркуляции за обратным уступом // Труды российско-английского семинара "Турбулентная конвекция", Москва, ИВТАН, 1989, с.271-317.

3. Комаров П.Л. Экспериментальное исследование генерации турбулентности в рециркуляционной зоне за обратным уступом // Сибирский-физико-технический журнал, 1991, N4, с.158-161.

4. Комаров П.Л., Кулиш В.В., Поляков А.Ф. Экспериментальное исследование теплопереноса за обратным уступом в канале // Труды II минского международного форума по тепло- и массообмену, Минск, 1992, т.1, ч.1, с.121-124,

5. Komarov P.L., Kulish V.V., Polyakov A.F., Varaksin A.Yu. Velosily and Temperature Distributions at the Turbulent Separated Flow behind Backfaced Step in the Channel // Proceedings of 10th International Heat Transfer Conference, Brighton, UK, 1994, v.4, pp.273-278.

6. Комаров П.Л., Поляков А.Ф., Ситников В.А. Поле скорости в рециркуляционной области за обратным уступом. Наложение спутного вдува // Труды первой российской национальной конференции по теплообмену, Москва, 1994, т.1, с.132-136.

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ТЕЧЕНИЕ ЗА УСТУПОМ. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1. Гидродинамические характеристики турбулентности

1.2. Турбулентный теплоперенос

1.3. Постановка задачи данного исследования.

ГЛАВА 2. МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1. Экспериментальная установка.

2.2. Автоматизированная система измерений. Погрешности измеряемых величин.

2.3. Методика определения координаты измерительного объема

Л ДА относительно стенки канала.

2.4. Характеристики потока перед отрывом.

ГЛАВА 3. ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТУРБУЛЕНТНОСТИ ЗА УСТУПОМ

3.1. Структура осредненного течения.

3.2. Пульсационные характеристики течения

3.3. Особенности генерации и конвекции турбулентности в зоне отрыва

ГЛАВА 4. ХАРАКТЕРИСТИКИ ТУРБУЛЕНТНОГО ТЕПЛОПЕРЕНО

СА ЗА УСТУПОМ.

4.1. Коэффициенты теплоотдачи.

4.2. Структура температурного поля.

4.3. Особенности температурных пульсаций.

ВЫВОДЫ.

Большинство теплообменных поверхностей не являются гладкими. Как правило на них имеются либо искусственные шероховатости, предусмотренные для интенсификации процессов теплоотдачи, либо неоднородности, связанные с технологией изготовления или функционирования изделия. При обтекании таких поверхностей жидким или газообразным теплоносителем неизбежен отрыв пограничного слоя и последующее его присоединение к стенке. Подобные течения имеют место в ядерных реакторах, газовых турбинах, камерах сгорания, электронной аппаратуре и других устройствах теплоэнергетического оборудования. Присоединение потока представляет собой серьезныю проблему, поскольку это явление может вызывать значительные изменения локального коэффициента теплоотдачи и сопровождаться существенным возрастанием суммарной теплоотдачи. Необходима разработка расчетного метода для оценки тепловых нагрузок, обусловленных присоединением потока. Для прнимания причин, вызывающих перестройку течения и связанные с ней изменения" местной ' теплоотдачи, первоочередной задачей становится изучение структуры течения вблизи одиночных неоднородностей и отработка расчетных моделей на базе полученного экспериментального материала.

Имеющийся к настоящему времени обширный экспериментальный материал по наиболее простому виду отрывного течения, обратному уступу, включает в основном данные по интегральным характеристикам потока, таким как длина отрывной зоны, распределения давления и теплообмена на стенке канала за уступом, изменения интегральных характеристик пограничного слоя в зоне отрыва и релаксации течения. Экспериментальные исследования, ставящие своей целью комплексные измерения осредненных полей скорости и температуры, интенсивности их пульсаций, турбулентных переносов импульса и тепла, а также анализ членов уравнений, описывающих турбулентные процессы в области отрыва потока, встречаются значительно реже. Работы, посвященные измерениям указанных характеристик с высокой пространственной разрешающей способностью, когда результаты экспериментов могут быть представлены в виде двумерного поля данных, полностью отсутствуют.

Существующее положение во многом объясняется ограниченными возможностями выбора способа измерений мгновенных значений компонент вектора скорости в области с высоким уровнем пульсаций и изменением направления течения жидкости. В таких условиях наиболее работоспособным оказывается метод лазерной доплеров-ской анемометрии, который, являясь бесконтактным, обладает избирательностью к компонентам вектора скорости и их знаку. Кроме того для выяснения деталей отрывного неизотермического течения, которые могут оказаться существенными при создании расчетных моделей, необходимы измерения двумерных полей характеристик течения с малым шагом по обеим координатным осям. Такие измерения в свою очередь требуют полностью автоматизированную систему сбора данных со сканированием измерительного объема по двум направлениям, позволяющую наряду с измерениями мгновенных значений скорости проводить и мгновенные измерения температуры. Сложность и высокая стоимость указанного оборудования не позволяет широко использовать его преимущества в экспериментальной практике, чем и объясняется отсутствие подобных данных по отрывным течениям в литературе, в то время как актуальность таких исследований очевидна.

В данной работе автор, используя приборный потенциал Лаборатории газодинамики ИВТАН и накопленный опыт работы с ЛДА фирмы "БаШес", провел полный комплекс указанных измерений, которые позволили выявить ряд новых особенностей отрывных течений, дать количественные оценки его характерных зон при различных скоростях набегающего потока, определить координаты центров основного и вторичного рециркуляционных вихрей.

Эти положения выносятся автором на защиту.

Настоящая диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и выводов.

выводы

1. Создана экспериментальная установка с автоматизированной системой измерений полей скорости и температуры за обратным уступом в щелевом канале на базе лазерного доплеровского анемометра и термометра сопротивлений фирмы Dantec (Дания), позволившая получить поля турбулентных характеристик с высоким пространственным разрешением. Разработанная методика определения координаты измерительного объема ЛДА относительно стенки канала значительно снизила погрешность измерений, связанную с неопределенностью положения чувствительного элемента прибора в высокоградиентных областях пристенного течения.

2. На основании проведенных исследований получена структура осредненного течения за уступом в безразмерных координатах при различных числах Re. Предложены аппроксимационные зависимости для характерных точек осредненного поля скорости, которые позволили количественно оценить границы основного и вторичного рециркуляционных вихрей, а также координаты их центров.

3. Выявлены особенности полей пульсационных характеристик скорости, главной из которых является существование второго максимума на поперечных профилях интенсивности пульсаций продольного вектора скорости и касательного напряжения Рейнольдса в области между центром основного вихря и точкой присоединения течения. Показано, что именно он является причиной немонотонного роста размеров свободного сдвигового слоя и несовпадения положения максимумов пульсационных характеристик с точкой присоединения течения.

4. На основании опытных данных получены распределения генерации и конвекции турбулентной кинетической энергии в характерных областях отрывного течения, анализ которых указывает на причину возникновения второго максимума на профилях пульсаций скорости. Такой причиной является конвективный перенос энергии турбулентности из сдвигового слоя в зону основного рециркуляционного вихря за счет поперечного осредненного движения жидкости.

5. Измерены локальные коэффициенты теплоотдачи за уступом при различных числах Re. Получена зависимость максимального значения числа Nu от числа Re.

6. С высоким пространственным разрешением получены экспериментальные данные по структуре температурного поля за уступом при дс = const. Выявлено существование максимума как на поле осредненной температуры, так и на поле интенсивности ее пульсаций в угловой зоне уступа.

7. Совместный анализ полей скорости и температуры показал, что максимумы температурных характеристик своим существованием обязаны взаимодействию основного и вторичного рециркуляционных вихрей вдоль их общей границы. Получен

1. Симпсон Р.Л. Обзор некоторых явлений, возникающих при отрыве турбулентного потока // Теоретические основы, 1981, тЛОЗ, N4, СЛ31-149.

2. Шляжас Р.Б. Турбулентный перенос импульса и тепла в пограничном слое за препятствием: Дисс. . канд. техн. наук. Каунас, 1984.

3. Мосс В.Д., Бэкер С., Бредбери Л.Дж.С. Измерения средней скорости и рей-нольдсовых напряжений в некоторых областях рециркуляционных течений // В сб. Турбулентные сдвиговые течения, М.¡Машиностроение, 1982, с.203-213.

4. Итон Дж.К., Джонстон Дж.П. Обзор исследований дозвуковых турбулентных присоединяющихся течений // Ракетная техника и космонавтика, 1981, т.19, N10, с.7-19.

5. Ота Т., Итасака М. Отрыв и присоединение потока на плоской пластине с затупленной передней кромкой // Теоретические основы, 1976, N2, с.321-327.

6. Эббот Д.Е., Клайн С.Дж. Экспериментальное исследование дозвукового турбулентного течения при обтекании одинарных и двойных уступов / / Техническая механика, 1962, т.84, N3, с.20-28.

7. Ким Дж., Клайн С.Дж., Джонстон Дж.П. Исследование присоединения турбулентного сдвигового слоя: обтекание обратного уступа // Теоретические основы, 1980, т.102, N3, с.124-132.

8. Bradshaw P., Wong F.Y.F. The reattachment and relaxation of a turbulent sheer layer // J. of Fluid Mechanics, 1972, v.52, Pt.l, p.113-139.

9. Пядишюс А., Шланчяускас А. Турбулентный теплоперенос в пристенных слоях. Вильнюс: Мокслас, 1987. -239с.

10. Адаме Э.В., Джонстон Дж.П. Структура течения в пристеночной зоне турбулентного отрывного течения // Ракетная техника и космонавтика, 1989, N5, с.З-13.

11. Крюков В.Н. Исследование турбулентного отрыва за.уступом, расположенным по потоку // В сб. Отдельные задачи тепло- и массообмена между потоками и поверхностями, М., 1986, с.24-28.

12. Фогель, Итон. Комбинированные измерения теплоотдачи и гидродинамических характеристик за обратным уступом. // Теплопередача, 1985, N4, с.152-159.

13. Филетти Е.Г., Кейс У.М. Теплообмен в областях отрыва, присоединения течения и развития потока за двойным уступом на входе в плоский канал // Теплопередача, 1967, N2, с.51-57.

14. Кором К.К., Спэрроу Е.М. Турбулентный теплообмен в трубе за асимметричной преградой // Теплопередача, 1978, т. 100, N4, с.27-35.

15. Бон, Хофман, Такахаси, Лондер. Местный теплообмен за резким расширением круглого канала при постоянной плотности теплового потока на стенке. // Теплопередача, 1984, N4, с.91-99.

16. Кюн Д.М. Влияние положительного градиента давления на характеристики присоединяющегося течения несжимаемой жидкости за уступом / / Ракетная техника и космонавтика,. 1980, т.18. N4. с.268-269.

17. Эббот Д.Е., Клайн С.Дж. Экспериментальное исследование дозвукового турбулентного течения при обтекании одинарных и двойных уступов // Техническая механика, 1962, т.84, N3, с.20-28.

18. Кталхерман М.Г. Теплоотдача к пластине за препятствием // ПМТФ, 1966, N5, с.130-133.

19. Shishov E.V., Roganov P.S., Grobarnik S.J. et al. // Int. J. Heat and Mass. Transfer, 1988, v.31. N8. p.1557-1562.

20. Леонтьев А.И., Шишов E.B., Захаров А.О. Моделирование переноса теплоты и импульса в отрывном турбулентном течении за обратным уступом / / Доклады Академии наук, 1995, т.341. N3. с.341-345.

21. Shih Т.Н., Lumley J.L. // Int. J. Comput. Fluid Dynamics, 1993, v.l. N1. p.43-56.

22. Smyth R. Turbulent heat transfer measurements in axisymmetric external separated and reattached flows // Lettere in heat and mass transfer, 1979, v.6, pp.405412.

23. Бузник B.M., Бандура B.H., Артемов Г.А. Исследование теплоотдачи и сопротивления пластины с единичным элементом шероховатости различной высоты / / Судостроение и морские сооружения, 1966, Вып.4, с.3-13.

24. Дыбан Е.П., Эпик Э.Я. Теплообмен и гидродинамика турбулизированных потоков. -Киев: Наукова думка, 1985.

25. Шланчяускас A.A., Пядишюс A.A., Зигмантас Г.П. Теплоперенос в турбулентном пограничном слое при наличии возмущений и их релаксации // В кн. Теплообмен VI, Минск: ИТМО АН БССР, 1980, т.1. ч.2. с.185-196.

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

27. Brighton S.A., Jones J.B. Fully developed turbulent flow in annuli //J. of Basic Engineering, 1964, B.835.

28. Поляков А.Ф., Шиндин С.А. Совместное использование термо- и лазерного доплеровского анемометров для исследования характеристик турбулентного переноса // В сб. Конвективный теплообмен, М.:ИВТАН, 1982, с. 169-180.

29. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. -М.: Энергия, 1978.

30. Воскобойников Ю.Е., Преображенский Н.Г., Седельников А.И. Математическая обработка эксперимента в молекулярной газодинамике. -Новосибирск: Наука, 1984. -239с.

31. Вапник В.Н. и др. Алгоритмы и программы восстановления зависимостей. -Москва: Наука, 1984. -816с.

32. Богатырев В.Я., Дубнищев Ю.Н., Мухин В.А. и др. Экспериментальное исследование течения в траншее // ПМТФ, 1976, N2. с.76-86.

33. Цыпулев Ю.В. Экспериментальное исследование турбулентного температур-но-стратифицированного течения в плоском горизонтальном канале: Дисс. . канд.физ.-мат.наук. М.:ИВТАН, 1979.

34. Петухов Б.С., Комаров П.Л., Поляков А.Ф., Шиндин С.А. Экспериментальное и теоретическое исследование разрешающей способности однониточных термо-анемометрических датчиков // В сб. Вопросы термо- и лазерной анемометрии, М.:ИВТАН, 1985, с.9-26.

35. Avraamov N.I., Polyaev V.M. An Experimental Study of the Effect of the Blow-in Rate on the Size of the Flow Separation Region // Experimental Thermal and Fluid Science, 1993, v.6, pp.335-340.

36. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. -Москва: Наука, 1969. с.156-157.

37. Синха С.Х., Гупта А.К., Оберай М.М. Ламинарное отрывное обтекание уступов и каверн. Часть I. Течение за уступом // Ракетная техника и космонавтика, 1981, Т.19, N12, с.33-37.

38. Гуляев А.Н., Козлов В.Е., Секундов А.Н. // Известия РАН, МЖГ. 1993, N2, с.69.

39. Spalart P.R., Allmaras S.R. // AIAA Paper 92-0439, 1992.

40. Menter F.R. // AIAA Paper 93-2906, 1993.

41. Chien J.Y. // AIAA Journal, 1982, v.20, N1, p.332.

42. Driver D.M., Seegmiller H.L. // AIAA Journal, 1985, v.23, N2, p.163.

43. Kays W.M., Leung E.Y. Heat Transfer in Annular Passages Hydrodynamically Developed Turbulent Flow with Arbitrarily Prescribed Heat Flux. // Int.S.Heat and Mass Transfer, v.6, 1963, pp.573-557.