Теплогидравлическая эффективность интенсификации теплоотдачи в каналах со сфероидальными выемками тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

На правах рукописи

ЩЕЛЧКОВ АЛЕКСЕЙ ВАЛЕНТИНОВИЧ

ТЕПЛОГИДРАВЛИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООТДАЧИ В КАНАЛАХ СО СФЕРОИДАЛЬНЫМИ ВЫЕМКАМИ

01.04.14- теплофизика и теоретическая теплотехника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань 2004

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

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель

науки РФ, заслуженный деятель науки и техники РТ

Гортышов Юрий Федорович.

Научный консультант - кандидат технических наук, доцент Попов Игорь

Александрович.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор Щукин Андрей

Викторович.

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Давлетшин Ирек Абдуллович

Ведущая организация — Центр энергосберегающих технологий Республики

Татарстан при Кабинете Министров Республики Татарстан, г. Казань.

Защита состоится «¡0» С^иоЬ-К 2004 г. в 10

часов на заседании

диссертационного совета Д063.43.01 при Казанском государственном техническом университете им. АН. Туполева по адресу:

420111, г. Казань, ул. К. Маркса, 10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева.

Автореферат разослан

2004г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук,

старший научный сотрудник

А.Г. Каримова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы.

Эффективным методом интенсификации теплоотдачи в теплообменниках является использование каналов со сфероидальными выемками на стенках.

Сфероидальные выемки являются характерными элементами регулярной макрошереховатости, нанесенной на теплообменные поверхности. Они интенсифицируют теплообмен в пристенной зоне течения за счет разрушения пограничного слоя и турбулизации потока с помощью отрывных течений и характеризуются минимальным ростом гидросопротивления. В работах Кикнадзе Г.И., Афанасьева В.Н., Александрова А.А., Нагоги Г.П., Беленького М.Я., Щукина А.В., Гортышова Ю.Ф., Попова И.А. и др. было экспериментально установлено, что для каналов со сфероидальными выемками интенсификация теплоотдачи составляет от 1,5 до 4,5 раз при умеренном росте гидросопротивления.

Технология нанесения сфероидальных выемок, как на плоские поверхности, так и на трубы отличается простотой и дешевизной. В настоящее время выпуск теплообменных элементов и аппаратов с интенсификацией теплообмена на основе использования сфероидальных выемок освоен как в России, так и за рубежом. Выпуск труб со сфероидальными выемками осуществляет завод имени Орджоникидзе (г. Подольск), пластины, формованные сфероидальными выемками, выпускают фирмы Alfa Laval, ViEX, Tranter РНЕ, Exxon Mobil и др.

В зависимости от метода нанесения сфероидальных выемок на поверхность, различают выемки с острыми кромками и с плавными обводами. Кроме формы, существенное влияние на теплогидравлические характеристики поверхностей, формованных сфероидальными выемками, оказывают такие геометрические параметры, как относительная высота канала IVda, относительная глубина выемки продольный и поперечный шаги выемок, плотность расположения выемок на поверхности f.

Экспериментальные зависимости для гидродинамики и теплоотдачи в каналах со сфероидальными выемками получены только для турбулентного режима. Несмотря на значительное количество расчетных и экспериментальных работ: Исаев СЛ., Леонтьев А.И., Олимпиев В.В, Снидекер, Дональдсон, Кикнадзе Г.И., Рабинович М.И., Терехов В.И., Кесарев B.C., Козлов А.П., Щукин А.В. и др., нет полной картины обгекания поверхностей со сфероидальными выемками для широкого диапазона чисел Рейнольдса, не выявлены границы режимов течения, ламинарно-турбулентный переход, отсутствует карта режимов течения в каналах со сфероидальными выемками, не исследовано гидросопротивление и теплоотдача при ламинарном режиме. Все вышеизложенное свидетельствует о необходимости дальнейших глубоких экспериментальных и теоретических исследований, направленных на изучение структуры потока, гидросопротивления и теплоотдачи в каналах со сфероидальными выемками в широком диапазоне изменения геометрических и режимных параметров.

Цель работы - исследование структуры потока, гидросопротивления и теплоотдачи в каналах со сфероидальными интенсификаторами.

Конкретными задачами исследования являлись:

1. Провести визуализацию течения в стесненных и нестесненных каналах со сфероидальными выемками с целью уточнения физической картины течения и расширения диапазона исследуемых

«

2. Выполнить экспериментальные исследования гидродинамики и теплоотдачи в исследуемых каналах и выявить влияние основных геометрических и режимных параметров на гидросопротивление и теплоотдачу, получить обобщающие уравнения подобия.

3. Провести сравнительный анализ теплогидравлической эффективности различных поверхностных интенсификаторов, в том числе сфероидальных. Установить оптимальные режимные и геометрические параметры интеисификаторов.

Научная новизна:

1. Впервые построена карта режимов течения в каналах со сфероидальными выемками.

2. Выявлено влияние основных геометрических и режимных параметров, получены обобщающие зависимости по гидросопротивлению и теплоотдачи при ламинарном и турбулентном течении воздуха в прямоугольных каналах со сфероидальными выемками.

3. Проведено сравнение теплогидравлической эффективности поверхностных интенсификаторов теплоотдачи при ламинарном и турбулентном режимах течения теплоносителя. Даны практические рекомендации по применению сфероидальных выемок в качестве интенсификаторов при проектировании современного высокоэффективного теплообменного оборудования.

Практическая ценность и реализация: основные результаты работы могут быть использованы при расчетах и проектировании эффективных теплообменных элементов, аппаратов и систем различного применения.

Личный вклад автора в работу: автором проведены экспериментальные исследования, расчеты, обработка, анализ и обобщение полученных данных.

Публикации: по теме диссертации опубликовано 5 печатных работ.

Структура и объем работы: работа состоит из введения, четырех глав и списка использованных источников. Работа изложена на 157 страницах машинописного текста, содержит 85 рисунков, 8 таблиц. Список использованных источников включает 98 наименований.

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 структуры потока, гидродинамики и теплоотдачи в канатах со сфероидальными выемками и сформулированы задачи настоящего исследования. Проведенный анализ показал, что в настоящее время:

- сфероидальные выемки нашли применение в различных областях: в системах охлаждения газотурбинных двигателей, в атомной энергетике, в химической промышленности, в радиоэлектронике, при охлаждении радиаторов полупроводниковых приборов и теплообменных аппаратах общего применения;

- рассмотренные в различных работах картины течения в каналах со сфероидальными выемками не позволяют построить на их основе карту границ режимов течения, как в лунках, так и в канале с ними;

отсутствуют практические рекомендации по выбору оптимальных геометрических и режимных параметров сфероидальных интенсификаторов теплоотдачи;

- все имеющиеся в литературе исследования относятся к турбулентному режиму течения.

При анализе и обобщении имеющегося материала по исследованию структуры потока, гидродинамики, теплоотдачи и теплогидравлической эффективности для каналов со сфероидальными выемками использовались работы Леонтьева А.И., Исаева СА., Терехова В.И., Нагоги Г.П., Кикнадзе Г.И., Афанасьева В.Н., Александрова А.А., Беленького М.Я., Олимпиева В.В., Щукина А.В., Козлова А.П., Рабиновича М.И., Гортышова Ю.Ф., Попова И.А.

В конце первой главы дана постановка задач исследования.

Во второй главе представлено описание экспериментального стенда, разработанного и изготовленного в соответствии с требованиями поставленных задач; приведены методики проведения экспериментальных исследований и обработки результатов измерений с последующим расчетом их погрешности, проанализированы результаты тестовых исследований гидродинамики и теплоотдачи.

Стенд состоит из системы подачи воздуха к рабочему участку, системы измерений, рабочего участка и системы электрического нагрева опытных образцов.

Газодинамический тракт рабочего участка представляет собой канал прямоугольного сечения, образованный сменными пластинами со сфероидальными интенсификаторами (длиной шириной толщиной ). На

рабочем участке производились исследования теплоотдачи и гидросопротивления в каналах со сфероидальными выступами и выемками по отдельности. Высота канала изменяется сменными вставками (Н, = 12, 10, 8, 5, 2 мм). Глубина сфероидальных выемок Ь„ и высота выступов ^ф изменялись от 0,7 до 5 мм. Диаметр сфероидальных интенсификаторов изменялся в пределах для

выемок и для выступов.

Двухсторонний нагрев рабочего участка осуществлялся электронагревателями. Для уменьшения тепловых потерь наружной поверхности основные элементы корпуса рабочего участка выполнены из асбестоцемента и стеклотекстолита. Температура измерялась хромель-копелевыми термопарами на входе в канал во входном ресивере и на выходе из канала в камере смешения. Контроль температуры сменных пластин проводился как вдоль рабочей поверхности, так и поперек, в 18 точках.

В экспериментах производилось измерение статического давления, как на входе, так и на выходе из рабочего участка, измерение перепада давления на рабочем участке. Измерение поля статического давления по высоте и ширине канала осуществлялось с помощью трубки Пито и координатного устройства на участке стабилизации после сфероидальных выемок.

Визуализация проводилась с использованием цифровой видеокамеры Sony-DSR-TRV1I ОЕ с 24-кратным увеличением и цифровой фотокамеры Sony-DSC-F505V с 10-кратным увеличением при следующих абсолютных значениях геометрии выемок с острыми кромками: глубина диаметр Верхняя

стенка канала и боковые сменные вставки при визуализации были выполнены из органического стекла. Визуализация производилась с помощью дыма, который подавался в канал порционно, с отсечкой подачи дыма в канал на момент формирования вихревой структуры.

Тестовые опыты по гидродинамике и теплоотдаче, проведены в канапе прямоугольного сечения с гладкими пластинами. Отклонение опытных данных по гидравлическому сопротивлению в диапазоне чисел Рейнольдса Reo = 200-5-2000 и

ReD=4000+30000

расчетных

зависимостей

составляет соответственно. Отклонение

опытных данных по теплоотдаче в этом же диапазоне чисел Рейнольдса от

расчетных

зависимостей

Nudm« =0,15-el • Rc D -Pr ■ -(GrD• Pr)

составляет соответственно. Таким образом,

проведенные тестовые эксперименты показали, что созданный экспериментальный стенд пригоден для надежного исследования трения и теплоотдачи в прямоугольных каналах.

Перед проведением основных серий экспериментального исследования были проведены сравнения с ранее полученными данными по гидросопротивлению и теплоотдаче на поверхностях со сфероидальными интенсификаторами при турбулентном течении. Для сравнительного анализа выделялись работы Беленького М.Я. и др., Нагоги Г.П., Федорова И.Г., Амирханова Р.Д. В области относительно мелких интенсификаторов наблюдалось хорошее совпадение экспериментальных данных, с отклонениями не более Однако с

увеличением глубины интенсификаторов наблюдается значительное отклонение по гидросопротивлению, доходящее до 50%.

В третьей главе приведены результаты визуализации течений в каналах со сфероидальными выемками и объяснены особенности трения и теплоотдачи в этих условиях. Приведены результаты экспериментального исследования гидросопротивления и теплоотдачи в каналах со сфероидальными выемками. Представлены обобщенные данные по влиянию на трение и теплоотдачу числа Рейнольдса, относительной высоты канала и относительной глубины сфероидальных выемок.

При обработке результатов экспериментальных исследований гидродинамики и теплоотдачи в каналах со сфероидальными выемками учитывалось увеличение поверхности теплоотдачи и высоты канала за счет наличия на поверхности сфероидальных выемок и изменение среднерасходной скорости и эквивалентного диаметра за счет наличия выемок.

Визуализация проводилась при следующих безразмерных конструктивных параметрах сфероидальных выемок и канала - относительная глубина выемок относительная высота капала

Для мелких выемок при малых скоростях (до 1 см/сек) обтекание

происходит ламинарным потоком без отрыва потока (рис.1).

Данная картина течения достаточно неустойчивая. Малейшие изменения внешних условий, скорости потока, внешней турбулентности и т.д., приводят к отрыву потока в сфероидальной выемке.

При дальнейшем увеличении скорости происходит отрывное обтекание выемки, с присоединением потока в выемке и образованием рециркуляционной зоны, подобной обтеканию обратного уступа (рис.2).

и

Рис.1. Безотрывное ламинарное обтекание сфероидальной выемки.

Рис.2. Ламинарное отрывное обтекание сфероидальной выемки с присоединением потока в ней. На всех фотографиях течение справа налево.

Со скоростей потока 0,1 см/с для глубоких выемок (Ьл/<1л = 0,3^0,5) и на порядок больших для неглубоких выемок (Ьд/с1д < 0,2) в них образуется вихрь, ось вращения которого располагается поперечно основному потоку так, что концы этого вихря замыкаются, «присасываясь» к левой и правой по отношению к потоку поверхностям выемок (рис.3).

12 3 4

Рис.3. Ламинарное отрывное обтекание выемки с осесимметричными макровихрями.

Для глубоких выемок = 0,5) было выявлено, что местоположение

эпицентров осесимметричных макровихрей зависит от скорости. По мере увеличения скорости эпицентры смещаются по боковой стенке и занимают место ближе к передней кромке выемки.

При визуализации обнаружено влияние абсолютного размера выемки на картину течения. Например, только для абсолютно больших по размеру и относительно глубоких выемок зафиксирован режим, характеризующийся возникновением в выемке торообразного вихря (рис.4). При этом режиме поток, проходя над выемкой, попадает в нее на задней по потоку кромке. Затекая в выемку, он образует горизонтальную устойчивую вихревую структуру около задней кромки выемки. Из данной структуры часть потока выходит из выемки, а часть продолжает движение по периферии выемки с закруткой. Степень закрутки изменяется по мере движения потока на периферии выемки. Периферийный поток в последствии частично вновь поступает в вихревую структуру. Вследствие такого движения получается некая торообразная вихревая структура, при этом в центре выемки образуется застойная зона. При детальном анализе кадров видеосъемки, обнаруживается так же неустойчивая вертикальная вихревая структура, которая возникает под торообразным вихрем в передней части застойной зоны. Возникает она, по-видимому, вследствие сложного взаимодействия закрученного потока в торообразном вихре со стенкой и с набегающим потоком над выемкой.

При рассмотрении картины обтекании выемок установлено, что новые порции вещества при всех исследованных режимах обтекания лунок попадают в выемку в районе задней по потоку кромки (рис.5)

Рис 4. Ламинарное отрывное обтекание сфероидальной выемки с торообразным вихрем (съемка производилась с интервалом 0,6 секунды) Выемка диаметром 58 мм и глубиной 24 мм в канале высотой 12 мм. Натекание потока справа.

Рис.5. Картина обтекания сфероидальной выемки ламинарным потоком.

Анализ фото- и видеоматериала показал также, что во всех вышеперечисленных режимах над выемками никогда не возникает выступающей гидродинамической структуры. Над лунками линии тока дыма четкие, неразмытые, неотклоняющиеся.

Все рассмотренные режимы ламинарного обтекания справедливы как для одиночной выемки, так и для их системы

В области переходного и турбулентного течения основного потока визуализация дымом не дала результатов.

Полученные результаты по визуализации позволили построить карту режимов обтекания поверхности, формованной сфероидальными выемками. В табл.1 представлены режимы течения в каналах со сфероидальными выемками в диапазоне чисел Рейнольдса Карта режимов в виде диаграммы представлена на

рис.6.

Согласно разработанной карте режимов при обтекании поверхности с выемками выделяются следующие режимы течения:

I - ламинарное безотрывное обтекание, свойственно для относительно мелких выемок

Режимы течения в каналах со сфероидальными выемками _Н - границы не установлены, но режим присутствует)

Таблица 1 2... 10000,

Режим течения

М1,

0,14

0,21

0,31

0,41

Безотрывное обтекание

о

X и 3" и н и о

X й

Отрывное обтекание с присоединением в выемке

;Кеь'<-187 1

б

Отрывное обтекание без присоединения в выемке (образование осесимметричных и единичных вихревых структур)

187-265

Яеьг 6*400

2-750

Яйк«5-36-1X00

Ламинарно-турбулентный переход

Турбулентное течение

2500

2000

1500 1000

500

0

II - ламинарное отрывное обтекание с присоединением в выемке, наблюдалось во всем диапазоне изменения относительной глубины выемок Нижние границы данного режима в зависимости от числа Яв), были выявлены только для неглубоких выемок в диапазоне чисел Яе), > 187 при Ьд/(1я - 0,14 и Явь > 6 при =021 Для выемок с > нижние границы данною режима течения

установить не удалось;

Рис 6. Карта режимов обтекания поверхности со сфероидальным и выемками

III - ламинарное отрывное обтекание без присоединения в выемке, сопровождается образованием осссиммстричных и единичных вихревых структур. При составлении карты режимов произведено объединение ламинарного обтекания выемок с образованием осесимметричных вихревых структур и единичных вихрей, например, торообразного в единый класс. Границы данного режима зависят от относительной глубины выемок. С увеличением hj/dj, от 0,14 до 0,5 верхняя граница режима изменяется по числу Reí, = 265-ъ2200. Нижняя граница выявлена только для неглубоких выемок. С увеличением hj/dj, нижняя граница изменяется от числа Reh = 187+6, в диапазоне = 0,14*0,21;

IV - ламинарно-турбулентный переход фиксировался как начало полного размытия линий тока дыма. Анализ данных показал, что ламинарно-турбулентный переход происходил при массовых скоростях потока 3-*-4 кг/м2с. Границы данного режима также зависят от относительной глубины выемки. С увеличением h,/dj, = 0,14-т0,5 нижняя граница режима изменяется по числу Reí, от 265 до 2200.

Анализ режимов течения позволяет утверждать, что сфероидальные выемки являются такими же поверхностными интенсификаторами теплообмена, как и поперечные выступы и канавки, траншеи и т.д.

Экспериментальное исследование гидравлического сопротивления проводилось в стесненных и нестесненных прямоугольных каналах при следующих безразмерных параметрах сфероидальных выемок и канала: Н^л = 0^2,3.

Полученные результаты демонстрируют (рис.7), что в диапазоне чисел, порядка ReD = 1000*2000 увеличение коэффициента гидросопротивления для

относительно глубоких выемок в стесненном канале, достигает

максимальных значений 20 раз и более, по сравнению с гладким каналом. В области турбулентных чисел, порядка для мелких выемок в

стесненных каналах коэффициент гидросопротивления возрастает от 1,1 до 2 раз. Для глубоких выемок (Ь„МЛ = 0,5) коэффициент гидросопротивлени&возрастает от 15 раз и более.

Для инженерных расчетов гидросопротивления проведено обобщите экспериментальных данных. При обобщении использованы критерии подобия, рассчитанные через глубину выемок при определяющей температуре - средней температуре потока в канале.

»

сфероидальными выемками. '_ Обозначения см. в табл.2.

гладкого канала, точки эксперименты для канала со

Рис.7. Гидросопротивление в каналах со сфероидальными выемками. Линии, расчет для

1000 Re,

'о

10000

Таблица 2

относительные геометрические параметры исследуемых каналов

и сфероидальных, выемок.

h„ н. нл. ЬУН. Обози.

0,00071 0,00514 0,012 0,138132 2,33463 0,059167 В

0,0015 0,00714 0.012 0.210084 1.680672 0.125 ш

0.003 0.00916 0.012 0,327511 1.310044 0.25 в

0.005 0,01 0,012 0,5 U 0,416667 ■ <

0,00071 0,00514 0,010 0,138132 1,945525 0.071 в

0,0015 0,00714 0,010 0.210084 1.40056 0.15 $

0,003 0.00916 0,010 0.327511 1.091703 0.3 в

0.005 0.01 0,010 0.5 1 0.5 в

0,00071 0.00514 0,008 0.138132 1,55642 0.08875 А

0,0015 0,00714 0,008 0.210084 1,120448 0.1875 А

0,003 0,00916 0,008 0,327511 0,873362 0.375

0.005 0.01 0.008 0.5 0.8 0.625 £

0.00071 0.00514 0,005 0.138132 0.972763 0.142 ч

0.0015 0,00714 0,005 0,210084 0,70028 0.3 W

0.003 0.00916 0,005 0.327511 0.545852 0.6 н

0,005 0,01 0,005 0,5 0.5 1 Y

0.00071 0,00514 0,002 0.138132 0,389105 0.355

0,0015 0,00714 0,002 0,210084 0.280112 0,75 4>

0,003 0,00916 0.002 0.327511 0,218341 I,5 »

0.005 0.01 0.002 0,5 0.2 2.5 ♦

Результаты экспериментальных исследований ламинарного отрывного обтекания поверхности с выемками без присоединения потока в них были обобщены следующими зависимостями в диапазоне изменения определяющих параметров Reh = 40+2200; = 0,2+0,8; Ь„Л1Л = 0,21+0,5:

Зависимости (1)-(3) описывает все экспериментальные точки с отклонением не более ±20+±25% при доверительной вероятности 0,95.

При турбулентном отрывном обтекании поверхности с выемками при Rck = 270+11000; H«/d„ ■= 0,21+2,33; hjá, = 0,14+0.5 получены зависимости: = 1,2406 -(h, Id,Y" /(RcJ'"-(H, td,y-n^-T"), лля h„/dj=0,14+0,31; (4)

^ = 0,07872/((H. /dj632). Для Vd, = 0,5; (5)

Зависимости (4) и (5) описывает все экспериментальные точки с отклонением не более при доверительной вероятности 0,95.

Полученные результаты по исследованию средней теплоотдачи (рис.8) показывают, что в диапазоне малых чисел интенсификация

теплоотдачи с помощью сфероидальных выемок достигает максимальных значений - до 8 раз, которая уменьшается при увеличении и уменьшении чисел Рейнольдса. В области турбулентных режимов максимальная интенсификация наблюдается в стесненных каналах при глубоких выемках (hj/d, = 0,5) - до 3,5 раз.

Для инженерных расчетов теплоотдачи проведено обобщение экспериментальных данных. При обобщении использованы критерии подобия, рассчитанные через глубину выемки Ьл.

Рис.8. Теплоотдача в каналах-со сфероидальными выемками. Линии, расчет для гладкого канала, точки эксперименты для канала со сфероидальными выемками. Обозначения см. в табл.2.

Установлено, что на- теплоотдачу оказывает существенное влияние относительная высота канала При значениях менее 0,4 с уменьшением

данного параметра средняя теплоотдача в канале с выемками значительно возрастает. В диапазоне значений более 0,4 наблюдается автомодельность

теплоотдачи.

Критериальное уравнение для теплоотдачи при ламинарном отрывном течении с присоединением потока в выемке при имеет вид:

Ыи„=0,055КеГ(Н,Л1лГ <6>

Критериальные уравнения для теплоотдачи при ламинарном отрывном течении без присоединения потока в выемке при К.еь=14+2100; Ьл/М, = 0,21+0,5 имеют вид: N11,, '= 0,-012Яеь 01, /с!л )0,61 при Н.Д, >0,28; (7)

Киь=2,62-10-4Кеь(Н.Я)-г-66(Ь,/с1,Г1 при Н^, <0,28; (8)

Зависимости (6)-(8) описывают все экспериментальные точки с отклонением не более ±20% при доверительной вероятности 0,95.

Критериальные уравнения для теплоотдачи при турбулентном течении имеют вил:

Киь=0,-025Ке°ь'94(ЬлЯ)°'Ш при ДА >0,28. (9)

Киь=0,9-Ю-4Ке1;07-(Н,Я)-,"(Ь,/<1я)ош при < 0,28; (10)

Зависимости (9) и (10) описывают все экспериментальные точки с отклонением не более ±20% при доверительной вероятности 0,95. Зависимости справедливы в диапазоне изменения определяющих параметров: Яе^ = 270+11000; Н|/<3Л = 0,28+2,33; = 0,14+0,5.

В четвертой главе представлены результаты экспериментального исследования гидросопротивления и теплообмена в каналах со сферическими выступа ми и сравнительный анализ теплогидравлической эффекгивности различных поверхностных интенсификаторов.

Экспериментальное исследование теплоотдачи и гидросопротивления в каналах со сферическими выступами проводилось в прямоугольных каналах при следующих безразмерных параметрах выступов и канала: Ь^ф/«!^ ■= 0,21+0,5; Ьы/И, =» 0,125+0,5; 11^^ = 0,7-5-1,68.

Опыты проводились для уточнения имеющихся в литературе многочисленных исследований, а также для замыкания задачи расчета теплобменных аппаратов с выштампованными на теплообменных поверхностях сфероидальными выступами-выемками и сравнительного анализа эффективности различных типов поверхностных интенсификаторов. Методика проведения опытов и обработка экспериментальных данных были аналогичны описанным выше.

Полученные результаты по гидросопротивлению в каналах со сфероидальными выступами демонстрируют, что в диапазоне малых чисел 11ев=1000-!-2000, увеличение коэффициента гидросопротивления в стесненном канале достигает максимальных значений, до 20 раз, по сравнению с аналогичным гладким каналом, а в области турбулентных чисел для мелких выступов

в стесненных каналах коэффициент гидравлического сопротивления возрастает до 2-н2,5 раз. Для относительно высоких выступов (Ьсф/(1сф = 0,5) коэффициент гидросопротивления возрастает до 10 раз.

Обобщение всех экспериментальных данных по гидросопротивлению и теплоотдаче в каналах с выступами производилось по критериям подобия, где в качестве определяющей температуры использовалась средняя по длине канала температура воздуха, а в качестве определяющего параметра - высота выступа

В итоге, результаты экспериментальных исследований гидросопротивления при обтекании поверхности со сфероидальными выступами при Яси = 20-=-530; НцЛ^ф = 0,7-5-1,68; ЬсфЛ1сф = 0,21+0,5 были обобщены зависимостью:

Зависимость (11) описывает все экспериментальные точки с отклонением не более ±25% при доверительной вероятности 0,95.

Рис.9. Гидросопротивление в каналах со сфероидальными выступами. Линии -расчет для гладкого канала, точки -эксперименты для интенсифицированного канала.

Рис.10. Теплоотдача в каналах со сфероидальными выступами. Линии расчет для гладкого канала, точки -эксперименты для интенсифицированного канала.

Результаты экспериментальных исследований гидросопротивления при турбулентном отрывном обтекании поверхности с выступами при

были обобщены зависимостью:

Зависимость (12) описывает все экспериментальные точки с отклонением не более ±25% при доверительной вероятности 0,95.

Таблица 3

относительные геометрические параметры каналов и выступов, условные

обозначения.

№ 4* н, tWdc4 H«/dc4 htt/H, Обозн

1 0,0015 0,00714 0,012 0,210084 1,680672 0,125 Я

2 0,003 0,00916 0,012 0,327511 1,310044 0,25

3 0,005 0,01 0,012 0,5 1,2 0,416667 *

4 0,0015 0,00714 0,010 0,210084 1,40056 0,15 •к

5 0,003 0,00916 0,010 0,327511 1,091703 0,3

6 0,005 0,01 0,010 0,5 1 0,5 ★

7 0,0015 0,00714 0,008 0,210084 1,120448 0,1875

8 0,003 0,00916 0,008 0,327511 0,873362 0,375

9 0,0015 0,00714 0,005 0,210084 0,70028 0,3 +

Сравнение полученных данных по средней теплоотдаче в каналах со сфероидальными выступами демонстрирует, что в диапазоне малых чисел ReD=1000-5-2000 интенсификация теплоотдачи достигает максимальных значений -до 8 раз, которая уменьшается при увеличении и уменьшении чисел Рейнольдса. В области турбулентного режима интенсификация теплоотдачи составляет до 2,5 раз в каналах с выступами при

Критериальное уравнение для теплоотдачи имеет следующий вид:

- при Reh = 105 * 530; Ьсф/с1сф = 0,21+0,5; H„/dc4, = 0,7+1,68

Nub = 0,0039-Re^H, / (13)

- при Reh = 530+16000; hc4/dc+ = 0,21+0,5; H/d^ = 0,7+1,68. Nul=0,075Rer(hc+/dcJ"7 (14)

Зависимости (13) и (14) описывают все экспериментальные точки с отклонением не более ±20% при доверительной вероятности 0,95.

Полученные в работе данные позволили провести сравнительный анализ теплогидравлической эффективности каналов с различными поверхностными интенсификаторами.

Оценка теплогидравлической эффективности каналов с различными видами интенсификаторов производилась с помощью коэффициента теплогидравлической эффективности который легко приводится к виду

Корректное сравнение эффективности различных типов интенсификаторов теплоотдачи предполагает их сопоставление при максимально эффективных геометрических параметрах интенсификаторов (при Re = idem). Подбор тех или иных оптимальных геометрических параметров интенсификатора, определяется условием достижения Е' = шах.

Сравнение различных интенсификаторов проведено посредством анализа взаиморасположения графиков зависимостей вида для обсуждаемых

типов интенсификаторов, при ламинарном и турбулентном режиме течения, для нестесненных каналов H/d ä 0,7 (Н, - поперечный размер канала; d - диаметр интенсификатора).

Все каналы рассчитывались при одинаковых условиях: теплоноситель - воздух (для турбулентного режима) и масло (для ламинарного режима), температуратурный напор «газ-стенка» 15°С для турбулентного режима и ЗО°С - для ламинарного, определяющий параметр — температура потока. Основные результаты сравнения по сопоставлению интенсификаторов при турбулентном режиме течения представлены на рис. 11 и 12.

Рис.11. Результаты сравнения Рис.12. Результаты сравнения

теплогидравлических свойств различных теплогидравлических свойств различных

интенсификаторов при турбулентном интенсификаторов при ламинарном

режиме течения. Обозначения в табл 4. режиме течения. Обозначения в табл.5.

Максимальная теплогидравлическая эффективность при турбулентном режиме присуща относительно мелким кольцевым выступам [Дрейцер ГА и др ], линия 2, в широком диапазоне чисел Рейнольдса (Rep = 10000*400000), и относительно мелким сфероидальным выемкам [Беленький М.Я. и др.], линия 12, в диапазопе чисел Рейнольдса (ReD = 10000 •*• 70000). Теплогидравлическая эффективность относительно мелких выступов [автор], линия 14, находится на одном уровне с линией 12, в диапазоне чисел Рейнольдса (Ren = 400(K30000). Следует отметить хорошее согласование полученных данных для сфероидальных интенсификаторов, линии 9, 11 и 12, 14, как по тсплогидравлической эффективности, так и по приростам гидросопротивления и теплоотдачи.

Наибольшая теплогидравлическая эффективность при ламинарном течении свойственна для поперечных выступов (линия 3), (Re= 50-1100) и для спиральной проволочной вставки (линия 5) (Reo = 20*100). Наименьшая теплогидравлическая эффективность соответствует диафрагмам (линия 7), а также поперечным выступам (линия 6). Относительно мелкие сфероидальные выступы и выемки [автор] (линии 12 и 13), показывают максимальную теплогидравлическую эффективность в диапазоне чисел для выступов, и для выемок, что

еще раз доказывает схожесть механизмов интенсификации теплоотдачи для этих видов поверхностных интенсификаторов.

Поперечные выступы (линии 6 и 8) различаются относительной высотой выступов (линия 6 соответствует относительно высоким поперечным выступам, линия 8 относительно мелким поперечным выступам)

Таблица 4

эффективность, оптимальные геометрические и режимные параметры

№ п/п Интенсификагор, форма сечения канала, источник Яев Оптимальные параметры интенсификатора О-1 ^ п)ти

1 гладкий канал 4000+ -1000000 - 1+ +1

2 кольцевые поперечные выступы, труба [Дрейцер Г. А ] 10000-400000 Ю1=50; ЬЯ>=0,02; 1Л>=100, ЬЯ>=0,01 1,26+ +1,05

3 спиральные выступы, труба [Савельев П А., Боголюбов Ю Н ] 50000+ -300000 №=15; ММ),04 0,69+ +0,44

4 выступы скошенные, неразрезные, квадратный канал [Хан и др] 10000+80000 1/11=10; ЬЛ>=0,0625; <р=45° 0,55+0,33

5 выступы скошенные, разрезные, квадратный канал [Хан и др] 10000+80000 1/11=10; Ь/ЕН),0625; Ф=45° 0,59+ +0,42

6 сфероидальные выступы, прямоугольный канал [Беркоун А ] 4000+ -20000 1Л=17; 11/0=0,43; Ш=0,5 0,72+ +1,02

7 сфероидальные выступы и выемки, труба [Анисин А.К 1 10000+100000 1/11=2,8^1/ О =0^5 0,95

8 мелкие сфероидальные выступи, труба [Шрадер И.Л. и др.] 7000+20000 - 0,93+ +0,78

9 мелхие сфероидальные выемки, труба [Шрадер и др ] 7000+20000 - 1,04+ +1,01

10 крупные сфероидальные выемки, труба [Шрадер И Л и др ] 7000-20000 - 0,93+ +0,80

11 сфероидальные выемки, прямоугольный канал [НагогаГ.П.] 20000+ +100000 |1/а=0,1Э; ? = 13% Ь/О =0,02 0,99+0,93

12 сфероидальные выемки, труба [Беленький М Я.] 10000+ +66000 1/11=1,1; 11/<1=0,1; Ь/Б =0,0225 0,94+ +1,29

13 сфероидальные выступы, прямоугольный канал, [автор] 4000+30000 ^<^=0.21; НА* =1,68 0,760+ +0,674

14 сфероидальные выемки, прямоугольный канал, [автор] 4000+ +30000 1)./(1л=0,14; Н«/(1,=2,33 0,9364+ +1,0446

В каналах с оптимальной высотой сфероидальных выступов коэффициент теплоотдачи выше в 1,5+1,8 раза, чем в аналогичных каналах со сфероидальными выемками оптимальной глубины. Однако каналы со сфероидальными выступами имеют более значительный прирост гидросопротивления до 2+2,5 раз, по сравнению с каналами с выемками. Это справедливо для ламинарно1 о и турбулентного режимов течения.

На основе проведенного сравнения интенсификаторов при ламинарном и турбулентном режимах течения, можно сделать вывод о целесообразности выбора относительно мелких сфероидальных интенсификаторов теплоотдачи (относительная высота выступов или глубина выемок около 0,1).

Таблица 5

эффективность, оптимальные геометрические и режимные параметры

№ п/п И (лексификатор, форма сечения канала, источник ReD Оптимальные параметры икгенсификатора E /Е гд)ша

гладкий канал 10-3000 - l--l

2 спиральная проволочная вставка, труба, [Назмесв ЮГ],транеф масло, 100-1000 h/D=0,0714-0,171, S/D=0,714-4,3, 0,83+ -1Д5

3 поперечные выступы, труба, [Назмсев ЮГ идр],транеф масло, 50-1100 <№=0,8+0,92, S/D=0,33-l,94, 1,16-3,72

4 спиральная накатка (выступы), труба, [Иазчеев ЮГ и др ], транеф масло, 100-1000 d/D=0,72-0,86, S/EM),72+4,29, 1+ -1,76

5 спиральная проволочная вставка, труба, [Уттавар], масло для сервомеханизмов, 20* -1000 h/D=0,079-0,l 19, S/EH),397-2,62, 1,77-0,24

6 Выступы поперечные, труба, [Олимпиев В В ], 300-2300 2h/D=0,2- -0Д4, S/h=25, 0,11+ -0,09

7 Диафрагмы, труба, [Ельчинов В11 ], смесь транеф и машинного масел. 30-1000 d/0=0,25 S/D=0,32, 0,11-0 01

8 Поперечные выступы, труба, [Петровский Ю В ], масло, 600-2200 - 1,51-1,59

9 Спиральная проволочная вставка, труба, {Закиров С Г и др ], транеф масло. 170-520 S/D=2,5-6,75, 0,99-1,32

10 Поперечная накатка (выступы), труба, [Закиров С Г и др ], масло, 100-1000 d/ГН),875+0,96, S/D=0,706, 0,47-2,95

11 Поперечная накатка (канавки), колыхево канал [Закиров С Г и др ], масло, 100-1000 d/D=0,875+0,96, S/tH),706, 0,32-1,82

12 Сфероидальные выступы, прямоугольный канал, [автор], воздух, 400-2000 ^^=0,21, Н«/(1сф=1,12, 0,28-1,06

13 Сфероидальные выемки, прямоугольный канал, [автор], воздух, 400+2000 hyd,=0,21, I Wd, =0,71, 0,72-1,67

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

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

1 Выявлено влияние основных режимных и геометрических параметров на картину течения в каналах со сфероидальными выемками Установлены границы переходов режимов Впервые получена карта режимов течения

2 Установлено и математически описало влияние режимных и 1сометрических параметров на гидросопротивление и теплоотдачу в каналах со сфероидальными выемками при всех видах ламинарного и турбулентного режимов в диапазоне чисел ReD = 200-30000, Re„ - 40-11000, = 0,14-0,5,1yd, -= 0,2-2,3, h/H, = 0,06-2,5,

3 Проведен анализ влияния стесненности канала на гидродинамику и теплоотдачу в каналах с выемками Установлена граница начала влияния стесненности канала (относительной высоты канала) H^/dj, =0,3-0,5

4. Проведена оценка теплогидравлической эффективности каналов со сфероидальными выемками и сравнительный анализ с другими видами поверхностных интенсификаторами теплоотдачи. На основе сравнительного анализа получено, что наибольший теплогидравлический эффект от применения сфероидальных выемок наблюдается в диапазоне чисел Рейнольдса Ке^ = 900^2000 и составляет при в диапазоне

чисел 11е0=4000+30000, составляет (Е'/Е'«)™«. = (Ыи/Ыиг„)/(^гс) = 1,023+1,08 при ЬдЛ1ц=0,14.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ

1. Попов И.А., Щелчков А. В. Исследование теплоотдачи в каналах с поверхностными, интенсификаторами // Труды Всероссийской школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН В.Е.Алемасова «Проблемы теиломасообмена и гидродинамики в энергомашиностроении». Казань, КГЭУ.2002.С.59-61.

2. Попов И.А., Щелчков А.В. Экспериментальное исследование течения и теплообмена в каналах со сфероидальными выступами и выемками // Тезисы докладов: Межрегиональная конференция молодых ученых. Казань, КГТУ. 2003. С.80-81.

3. Раскин И.Л., Щелчков А.В. Сравнительный анализ поверхностных интенсификаторов теплоотдачи при ламинарном течение // Тезисы докладов: VII Королевские чтения. Всероссийская молодежная научная конференция. Самара. 2003. С. 148.

4. Щелчков А.В. Теплоотдача и гидродинамика в канале с поверхностными интенсификаторами // Тезисы докладов: XI Туполевские чтения. Всероссийская (с международным участием) молодежная научная конференция. Казань. КГТУ им. А.Н.Туполева. 2003. С. 148.

5. Гортьшюв Ю.Ф., Попов И.А., Олимпиев В.В., Щелчков Л.В. Тсплогидравлическая эффективность использования сфероидальных выемок для интенсификации теплоотдачи в каналах // Труды 5-го Минского международного форума по тепло- и массообмену - ММФ-2004. Т. 1. Конвективный тепломассообмен. Минск. 2004.

Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ. л. 1.0. Усл. печ.л. 0.93. Усл. кр-отт.0.98 Уч.-изд.л. 1.0.

_Тираж 100. Заказ Д 78_

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

i -9 О 2 8

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА В ОБЛАСТИ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕХАНИЗМА ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА В КАНАЛАХ СО СФЕРОИДАЛЬНЫМИ ИНТЕНСИФИКАТОРАМИ ТЕПЛООБМЕНА.

1.1. Обтекание потоком сплошной среды одиночной сфероидальной выемки.

1.2. Гидравлическое сопротивление и теплоотдача в каналах со сфероидальными интенсификаторами.

1.3. Конкретные задачи настоящего исследования.

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

2.1. Экспериментальный стенд.

2.2. Геометрия исследованных каналов со сфероидальными интенсификаторами. Экспериментальные образцы.

2.3. Система измерений.

2.4. Методика проведения эксперимента.

2.5. Методика обработки экспериментальных данных.

2.6. Оценка точности эксперимента.

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

ГИДРОДИНАМИКИ И ТЕПЛООБМЕНА В КАНАЛАХ СО СФЕРОИДАЛЬНЫМИ ВЫЕМКАМИ. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ.

3.1. Результаты визуализации течения в каналах со сфероидальными выемками.

3.2. Карта режимов обтекания поверхности со сфероидальными выемками.

3.3. Гидравлическое сопротивление в каналах со сфероидальными выемками.

3.4. Теплоотдача в каналах со сфероидальными выемками.

ГЛАВА 4. ТЕПЛОГИДРАВЛИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ

ПОВЕРХНОСТНЫХ ИНТЕНСИФИКАТОРОВ. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ И ТЕПЛООБМЕНА В КАНАЛАХ СО СФЕРОИДАЛЬНЫМИ ВЫСТУПАМИ.

4.1. Гидравлическое сопротивление в каналах со сфероидальными выступами.

4.2. Теплоотдача в каналах со сфероидальными выступами.

4.3. Сравнительный анализ теплогидравлической эффективности в каналах с поверхностными интенсификаторами.

В настоящее время известны и наиболее часто используются следующие способы интенсификации теплоотдачи: развитые поверхности оребрения, закрутка потока различными устройствами - шнеками, спиральными ребрами, завихрителями, установленными на входе в канал, подмешивание к потоку жидкости газовых пузырей и твердых частиц, вращение поверхностей теплообмена, вибрация поверхности, пульсация теплоносителя, отсос пограничного слоя, а также поверхностные интенсификаторы. Число публикаций по данной тематике непрерывно растет. Однако результаты этих исследований противоречивы. Выбор способа интенсификации не всегда обоснован и носит случайный характер. Кроме того, при использовании того или иного вида интенсификаторов теплоотдачи помимо теплогидравлической эффективности самой поверхности необходимо учитывать такие важные, для практического применения, факторы, как технологичность ее изготовления, технологичность сборки, загрязняемость поверхности и надежность теплообменного оборудования.

Также необходимо отметить, что особенность задачи интенсификации конвективного теплообмена заключается в том, что она приобретает реальное содержание лишь в совокупности с задачей о затрате мощности на прокачку теплоносителя. Практическая цель заключается в достижении возможно более высокой интенсивности теплоотдачи при ограниченных затратах энергии. Именно опережающий рост гидросопротивления по сравнению с ростом теплоотдачи существенно уменьшает экономический эффект от применения интенсификаторов в теплообменных аппаратах.

Поверхностные интенсификаторы теплоотдачи находят все более широкое применение в системах охлаждения газотурбинных двигателей и на поверхностях твэлов ядерных реакторов, в химической и электротехнической областях, а также в теплообменных аппаратах общего применения.

Основное преимущество поверхностных интенсификаторов теплоотдачи перед остальными заключается в том, что они интенсифицируют теплообмен в пристенной зоне течения за счет турбулизации (разрушения) этой области потока с помощью отрывных возмущений потока, генерируемых интенсификаторами и характеризуются минимальным ростом гидросопротивления. Теплообменные устройства с поверхностными интенсификаторами теплоотдачи обладают высокой теплогидравлической эффективностью (рис.0.1).

Эффективным методом интенсификации теплоотдачи в теплообменниках является использование каналов с интенсифкаторами в виде сфероидальных выемок. В ряде работ [8,12,22,56,] было экспериментально установлено, что для каналов со сфероидальными выемками, рост теплоотдачи не сопровождается типичным квадратичным увеличением гидравлического сопротивления. Причем, особенно ярко это проявляется для течения в щелевых каналах. Поверхности со сфероидальными выемками позволяют существенно (в 1,5 -г 4,5 раза) увеличить теплообмен при умеренном росте гидросопротивления.

Технология нанесения сфероидальных выемок, как на плоские поверхности, так и на трубы отличается простотой и дешевизной [22]. В зависимости от метода нанесения лунок на поверхность, различают выемки с острыми кромками и лунки с плавными обводами. Кроме формы выемки, существенное влияние на теплогидравлические характеристики поверхностей, формованных сфероидальными выемками, оказывают такие геометрические параметры, как относительная высота канала Нк/ёл, относительная глубина выемки Ьл/(1л, продольный Si и поперечный S2 шаги выемок, плотность расположения выемок на поверхности f.

Необходимо отметить, что, несмотря на значительное количество публикаций [3,5,11,22,23,26,27,29,31,34 и др.], экспериментальные зависимости для гидродинамики и теплоотдачи получены лишь в узком диапазоне и только для турбулентного режима. Практически не исследованы

Рис.О Л Матрицы теплообмемного оборудования со сфероидальными выемками: а - - фирма Alfa Laval, б - фирма ViEX. гидродинамика и теплоотдача при ламинарном режиме в каналах со сфероидальными выемками. Кроме этого следует подчеркнуть, что многие из имеющихся в литературе результатов противоречивы и требуют проверки. Все вышеизложенное свидетельствует о необходимости глубоких экспериментальных исследований, направленных на изучение структуры потока, гидросопротивления и теплоотдачи в каналах со сфероидальными выемками, в широком диапазоне изменения геометрических и режимных параметров, и позволяет сформулировать следующие цели и задачи настоящего исследования:

Цель работы - исследование структуры потока, гидросопротивления и теплоотдачи в каналах со сфероидальными интенсификаторами.

Конкретными задачами исследования являлись:

1. Визуализация течения в стесненных и нестесненных каналах со сфероидальными выемками с целью уточнения физической картины течения и расширения диапазона исследуемых параметров.

2. Экспериментальные исследования гидродинамики и теплоотдачи в исследуемых каналах с целью выявить влияние основных геометрических и режимных параметров на гидросопротивление и теплоотдачу, получить обобщающие уравнения подобия.

3. Сравнительный анализ теплогидравлической эффективности различных поверхностных интенсификаторов, в том числе сфероидальных. Установить оптимальные режимные и геометрические параметры интенсификаторов.

На основе проведенных исследований получены следующие результаты:

1. Выявлено влияние основных режимных и геометрических параметров на картину течения в каналах со сфероидальными выемками. Установлены границы переходов режимов. Впервые построена карта режимов течения в каналах со сфероидальными выемками.

2. Установлено и математически описано влияние режимных и геометрических параметров на гидросопротивление и теплоотдачу в каналах при всех видах ламинарного и турбулентного режимов в диапазоне чисел ReD = 200 ч- 30000; Reh = 40 ч- 11000; Ълк1Л = 0,14 ч- 0,5; Нк/(1л = 0,2 ч- 2,3; VHK = 0,06 ч- 2,5; f = 0,01 ч-1,4

3. Проведен анализ влияния стесненности канала на гидродинамику и теплоотдачу. Установлена граница начала влияния стесненности канала (относительной высоты канала) Нк/с1л =0,3 ч- 0,5.

4. Проведена оценка теплогидравлической эффективности сфероидальных выемок и сравнительный анализ с другими видами поверхностных интенсификаторов. На основе сравнительного анализа получено, что наибольший теплогидравлический эффект от применения сфероидальных выемок наблюдается в диапазоне чисел Рейнольдса ReD = 900 ч- 2000 и составляет (EVE'™)^. = (Nu/Nurjl)/(^rjl) = 1,05 ч-1,67 при 11Л/(1Л=0,21; в диапазоне чисел Рейнольдса ReD = 4000 ч- 30000, составляет (Е7Е'гл)шах- = (Nu/NUn])/(^rjl) = 1,023 ч-1,08 при Ьл/с1л=0,14.

Основные результаты работы могут быть использованы при расчетах и проектировании эффективных теплообменных элементов, аппаратов и систем различного применения.

Отмеченные выше научные результаты составляют основное содержание положений, выносимых на защиту диссертации.

Диссертация выполнена на кафедре теоретических основ теплотехники Казанского государственного технического университета им. А.Н.Туполева (КАИ) в период с 2000 г. по 2004г. под научным руководством Заслуженного деятеля науки РФ, Заслуженного деятеля науки и техники Республики Татарстан, доктора технических наук, профессора Гортышова Юрия Федоровича. Научный консультант - кандидат технических наук, доцент Попов Игорь Александрович.

Работа апробирована на III Всероссийской школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН Алемасова В.Е. «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении» (г. Казань, 2002); Межрегиональной конференции молодых ученых и г. Казань, 2003); VII Королевских чтениях (г. Самара, 2003); XI Туполевских чтениях ( Казань, 2003); V Минском международном форуме по тепло- и массообмену (Минск, 2004).

По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю д.т.н. профессору Гортышову Ю.Ф. и научному консультанту к.т.н. доценту Попову И.А., д.т.н. профессору Олимпиеву В.В., за постоянную помощь и консультации при выполнении данной работы.

Автор считает своим долгом выразить свою искреннюю признательность сотрудникам кафедры теоретических основ теплотехники, оказавшим техническую помощь при выполнении настоящей работы: д.т.н. профессору Тарасевичу С.Э., к.т.н. доценту Яковлеву А.Б., к.т.н. доценту Романовскому В.Л, ведущему инженеру Колкунову B.C., механику Нуриеву Р.К.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

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

1. Выявлено влияние основных режимных и геометрических параметров на картину течения в каналах со сфероидальными выемками. Установлены границы переходов режимов. Впервые получена карта режимов течения в каналах со сфероидальными выемками.

2. Установлено и математически описано влияние режимных и геометрических параметров на гидросопротивление и теплоотдачу в каналах при ламинарном и турбулентном режимах в диапазоне чисел ReD = 200 -г 30000; Reh = 40+ 11000; hjdn = 0,14 ч- 0,5; НКМЛ = 0,2 ч- 2,3; Ьл/Нк = 0,06 4-2,5;f= 0,01 ч-1,4

3. Проведен анализ влияния стесненности канала на гидродинамику и теплоотдачу. Установлена граница начала влияния стесненности канала (отностельной высоты канала) Нк/ёл =0,3 ч- 0,5.

4. Проведена оценка теплогидравлической эффективности сфероидальных выемок и сравнительный анализ с другими видами поверхностных интенсификаторов. На основе сравнительного анализа получено, что наибольший теплогидравлический эффект от применения сфероидальных выемок наблюдается в диапазоне чисел Рейнольдса ReD = 900 ч- 2000 и составляет (Е7Е'гл)тах. = (Nu/NurjI)/(£/£rjI) = 1,05 ч-1,67 при ЬЛ/(1Л=0,21; в диапазоне чисел Рейнольдса ReD = 4000 ч- 30000, составляет (Е'/Е'гл)шах. = (Nu/NurJI)/(£/£гл) = 1,023 ч- 1,08 при ЬЛД1Л=0,14.

1. Гортышов Ю. Ф., Олимпиев В.В. Теплообменные аппараты с интенсифицированным теплообменом. Казань: Изд во КГТУ им. А.Н. Туполева, 1999. 175 с.

2. Гортышов Ю.Ф., Олимпиев В.В., Попов И.А. Эффективность промышленно перспективных интенсификаторов теплоотдачи (Обзор. Анализ. Рекомендации) // Известия РАН: Энергетика. 2002. №3.

3. Щукин А.В., Козлов А.П., Агачев Р.С., Чудновский Я.П. Интенсификация теплообмена сферическими выемками при воздействии возмущающих факторов / Под ред. акад В.Е. Алемасова // Изд во КГТУ им. А.Н. Туполева, 2003.

4. Щукин А.В., Козлов А.П., Чудновский Я.П., Агачев Р.С. Интенсификация теплообмена сферическими выемками. Обзор. // Изв. АН: Энергетика. 1998. №3. с.47-64.

5. Леонтьев А.И., Олимпиев В.В., Дилевская Е.В, Исаев С.А. Существо механизма интенсификации теплообмена на поверхности со сферическими выемками. Известия академии наук №2, Энергетика, 2002.

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

7. Олимпиев В.В. Расчетное и опытное моделирование теплоотдачи и гидросопротивления дискретно шероховатых каналов теплообменного оборудования. Дисс. На соиск. Уч. степени докт. техническ. наук. Казань: КФ МЭИ, 1995. 475с.

8. Кикнадзе Г.И., Олейников В.Г. Самоорганизация смерчеобразных вихревых структур в потоках газов и жидкостей и интенсификация тепло и массообмена. Препринт №227 / Ин-т теплофизики СО АН СССР. Новосибирск 1990. 45с.

9. Нагога Г.П. Эффективные способы охлаждения лопаток высокотемпературных газовых турбин. М.: МАИ. 1996. 100с.

10. Беленький М.Я., Готовский М.А., Леках Б.М., Фокин Б.С., Долгушин К.С. Интенсификация теплообмена при использованииповерхностей, формованных сферическими лунками // Тепломассообмен-ММФ-1992. т. 1, часть 1. Минск. 1992. С.90 92.

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

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

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

14. Кесарев B.C., Козлов А.П. Конвективный теплообмен в полусферическом углублении при обтекании турбулизированным потоком // Тепломассообмен-ММФ-1992. т.1, часть 1. Минск. 1992. С.14 17.

15. Терехов В.И., Калинина С.В., Мшвидобадзе Ю.М. Поле давлений и сопротивление одиночной лунки с острыми и скругленными кромками // ЖПМТФ, 1993, №3. с.40 50.

16. Гортышов Ю.Ф., Амирханов Р.Д., Попов И.А. Гидродинамика и теплообмен в щелевидных каналах со сферическими интенсификаторами //

17. Тр. второй Рос. нац. конф. по теплообмену. В 8-т. Т.6. Интенсификация теплообмена. -М.: Изд-во МЭИ. 1998. С.68-71.

18. Мюллер, Корст, Чоу. Отрыв, повторное присоединение и новое развитие несжимаемого турбулентного потока вязкой жидкости // Теор. основы инж. расчетов. 1964 г. № 2. С.75 79.

19. Голдстин, Смит, Тейлор. Отрыв ламинарного пограничного слоя, повторное присоединение и перестройка режима течения при обтекание уступа // Теор. основы инж. расчетов. 1970. № 4. С. 93 96.

20. Аунг. Экспериментальное исследование теплообмена при ламинарном обтекание уступов // Теплопередача. 1983. № 4. С. 75 79.

21. Гачечиладзе И.А., Кикнадзе Г.И., Краснов Ю.К. Теплообмен при самоорганизации смерчеобразных структур // Теплообмен ММФ. Конвективный, радиационный и комбинированный теплообмен. Проблемные доклады. Минск, 1988. С.83-85.

22. Волчков Э.П., Калинина С.В., Матрохин М.П. Некоторые результаты экспериментального исследования аэродинамики и теплообмена на поверхностях с полусферическими кавернами // Сиб. физ. техн. журнал. Вып.5. 1992. С.3-10.

23. Рабинович М.И., Сущик М.М. Рождение уединенных вихрей при обтекании сферических углублений // Письма в ЖТФ. 1986. Т. 12, № 21. С. 1323-1328.

24. Хабенский В.Б., Подымако Н.Ф. Оптические методы исследования теплоотдачи и гидродинамики при зарождении вихревых потоков на полусферических лунках // Отчет о научно исследовательской работе. NY277744. 1988.

25. Снидекер, Дональдсон. Исследование течения с двумя устойчивыми состояниями // Ракетная техника и космонавтика. 1966. №4. С. 125-128.

26. Кикнадзе Г.И., Краснов Ю.К., Подымако Н.Ф. и др. Самоорганизация вихревых структур при обтекание водой полусферической лунки//Докл. АН СССР. 1986. Т. 291, №6. С. 1315 1319.

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

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

29. Терехов В.И., Калинина С.В., Мшвидобадзе Ю.М. Экспериментальное исследование развития течения в канале с полусферической каверной // Сибир. Физ. техн. Ж. 1992. Вып. 1. С. 77 - 86.

30. Ямамото X., Секи Н., Фукусако С. Теплоотдача вынужденной конвекции от нагретого дна полости // Теплопередача. 1979. № 3. С. 97 100.

31. Исаев С.А., Леонтьев А.И., Митяков А.В., Пышный И.А. Интенсификация смерчевого турбулентного теплообмена в асимметричных лунках на плоской стенке // ИФЖ, 2003, т.76, № 2. С.31 35.

32. Кесарев B.C., Козлов А.П. Структура течения и теплообмен при обтекании полусферического углубления турбулизированным потоком воздуха// Вестник МГТУ. Сер. Машиностроение. 1993. №1. С. 106 115.

33. Кикнадзе Г.И. Запустите смерч в теплообменник // Энергия 1991. №6. С.29-31.

34. Кикнадзе Г.И., Краснов Ю.К. Эволюция смерчеобразных течений вязкой жидкости // Докл. АН СССР. 1986. Т.290, №6. С.1315-1319.

35. Кикнадзе Г.И., Гачечиладзе И.А., Олейников В.Г. и др. Механизмы смерчевой интенсификации тепломассообмена // Тр. Первой Рос. нац. конф. по теплообмену. М.: Изд-во МЭИ, 1994. Т.8. С.97-106.

36. Кикнадзе Г.И., Крючков И.И., Чушкин Ю.В. Кризис теплоотдачи при самоорганизации смерчеобразных вихревых структур в потоке теплоносителя // Препринт ИАЭ №4841/3, ЦНИИатоминформ.1989. С 29.

37. Рабинович М.И., Громов П.Р., Зобнин А.Б., Сущик М.М. Бифуркации пространственных структур течения в трехмерной выемке // Всесоюз. семинар по гидродинамической устойчивости и турбулентности: Тез. докл., Новосибирск, 1989. С. 138-139.

38. Езерский А.Б., Шехов В.Г. Визуализация потока тепла при обтекании уединенных сферических углублений // МЖГ, 1989, № 6. С. 161164.

39. Afanasyev V.N., Chudnovsky Ya.P., Leontiev A.I. Turbulent flow friction and heat transfer characteristics for spherical cavities on a flat plate // Experimental Termal and Fluid Science. 1993. Vol.7.P.l-8.

40. Алемасов B.E., Глебов Г.А., Козлов А.П. Термоанемометрические методы исследования отрывных течений // Казань: казанский научный центр АН СССР. 1990.178с.

41. Гачечиладзе И.А., Кикнадзе Г.И., Краснов Ю.К. Теплообмен при самоорганизации смерчеобразных структур // Докл. А.Н. СССР. 1986. Т.291. С.123-124.

42. Терехов В.М., Калинина С.В., Мшвидобадзе Ю.М. Конвективный теплообмен на поверхности в области за каверной сферической формы // Теплофизика и аэродинамика. 1994. Т.1, № 1. С. 13-18.

43. Мшвиобадзе Ю.М., Матрохин И.И. К вопросу о механизме интенсификации теплообмена с помощью сферических углублений // Современные вопросы теплофизики. Новосибирск: Изд-во ИТФ СОАН СССР. 1988. С. 33-34.

44. Калинин Э.К., Дрейцер Г.А., Копп И.З., Мякочин А .С. Эффективные поверхности теплообмена. М.: Энергоатомиздат, 1998.407 с.

45. Олимпиев В.В., Гортышов А.Ю. К вопросу об интенсификации теплообмена посредством сферических выемок // Изв. вузов. Авиационная техника. 1999. №3. С.54-58.

46. Гортышов Ю.Ф., Олимпиев В.В., Абдрахманов А.Р. Расчет турбулентной теплоотдачи и сопротивления в каналах с поперечными кольцевыми канавками // Изв. вузов. Авиационная техника 1996. №4. С. 43-47.

47. Афанасьев В.Н., Чудновский Я.П. Теплообмен и трение при безотрывном обтекание сферических углублений турбулентным потоком воздуха // Вестник МГТУ. Машиностроение. 1991. №4. С 68-72.

48. Спэрроу, Мистерек. Массообмен на дне цилиндрической выемки в нижней стенке плоского канала // Теплопередача. 1986. №4. С. 112-119.

49. Исаев С.А., Леонтьев А.И., Баранов П.А., Усачев А.Е. Бифуркация вихревого турбулентного течения и интенсификация теплообмена в лунке // Докл. РАН, 2000, т.373, № 5. С.615-617.

50. Гортышов Ю.Ф., Олимпиев В.В., Федотов И.А. Теплоотдача и трение на поверхности со сферическими выемками // Изв. вузов. Авиационная техника 1996. №3. С. 16-21.

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

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

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

54. Гортышов Ю.Ф., Амирханов Р.Д. Теплообмен и трение в каналах со сферическими углублениями // Рабочие процессы в охлаждаемых турбомашинах и энергетических установках: Межвуз. сб. Казань: Казан, гос. техн. ун-т. 1995. С.87-90.

55. Арсеньев JI.B., Везломцев С.К., Носов В.В. Интенсификация процесса теплоотдачи в щелевых каналах с генераторами вихрей в системах кондиционирования воздуха // Охрана труда и охраны окружающей среды: Сб. научн. тр./ НКИ. Николаев; 1988. С. 14-20.

56. Арсеньев Л.В., Везломцев С.К., Носов В.В. Исследование структуры потока при течении в щелевом канале с генераторами вихрей // Судостроительная промышленность. Промышленная энергетика, охрана окружающей среды, энергосбережение судов. 1988. №5. С.25-29.

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

58. Туркин А.В., Сорокин А.Г., Брагина О.Н. и др. Интенсификация теплообмена при помощи лунок в плоском канале при низких скоростях движения воздуха // Тепло-массообмен ММФ - 92: Минский международный форум. Минск 1992. Т. 1, ч. 1. С. 18-21.

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

60. Нагога Г.П., Рукин М.В., Ануров Ю.М. Гидравлическое сопротивление в плоских каналах со сферическими углублениями // Охлаждаемые газовые турбины двигателей летательных аппаратов: Межвуз. сб. Казань: Казан, авиац. Ин-т, 1990. С.40-44.

61. Мунябин К.Л. Эффективность интенсификации теплообмена углублениями и выступами сферической формы / Теплофизика и аэромеханика. Изд-во: Сибирского отделения РАН; 2003. №2. С 235-246.

62. Щукин А.В., Козлов А.П., Дезидерьев С.Г., Агачев Р.С., Бодунов К.М. Влияние положительного градиента давления на теплообмен в сферическом углублении // Авиационная техника. Изв. высш. учеб. заведений. 1996. №4. С.74-78.

63. Nunner W.Warmeubergang und Drugabfall in rauchen rohren // VDI -Forahungsheft. 1956. P.455.

64. Presser K.H. Empirische Gleichugen zur Berechung der Stoff und Warmeubertragung fur den Spezialfall der Abgerissenn stromung // Intern. Journ of Heat and Mass Transfer. 1972. Vol. 15.

65. Исаев C.A., Леонтьев А.И., Кудрявцев H.A., Пышный И.А. О влиянии перестройки вихревой структуры на теплоотдачу при увеличении глубины сферической лунки на стенке узкого канала // ТВТ, 2003. т.41, № 2. С.268 -272.

66. Исаев С.А., Леонтьев А.И. Численное моделирование вихревой интенсификации теплообмена при турбулентном обтекании сферической лунки на стенке узкого канала // ТВТ, 2003. т.41, № 5. С.755 770.

67. Лашков Ю.А., Самойлова Н.В. К вопросу о сопротивлении трения пластины со сферическими углублениями // МЖГ, 2002. №2. С. 69-75.

68. Искажающее влияние температуры на температурное .II «Труды американского общества инженеров механиков». Теплопередача, сер. С, 1962. №2. С. 33-36.

69. Beck J.V., Hurvicz Н. Effect of termocouple cavity on heat sink temperature/ «Trans, of the ASME». Heat transfer. 1960. V.82. № 1. P. 27 36.

70. Гортышов Ю.Ф., Дресвянников Ф.Н., Идиатуллин H.C. и др. Теория и техника теплофизического эксперимента // М. Энергоатомиздат; 1993. 183 с.

71. Федоров И.Г. Теплоотдача и гидравлическое сопротивление щелевых каналов с выступами: Дис. .канд. техн. наук. Казань, 1963.

72. Авдуевский В.С, Галицейский Б.М., Глебов Г.А. и др. Основы теплопередачи в авиационной и ракетно-космической технике // М.: Машиностроение, 1975. 623 с.

73. Лау, Макмиллин, Хан. Характеристики теплообмена при турбулентном течении в канале квадратного сечения со скошенными дискретными ребрами // Современное машиностроение. А. 1991. № 10. С. 99-107.

74. Олимпиев В.В. Влияние интенсификации теплообмена на эффективность теплообменников при их модернизации // Изв. вузов. Авиационная техника. 2000. № 4. С.61-62.

75. Боголюбов Ю.Н., Лившиц М.Н., Григорьев Г.В. Результаты исследования и промышленного внедрения винтообразно профилированных труб //Теплоэнергетика. 1981. № 7. С. 48-50.

76. Савельев П.А. Исследование гидравлического сопротивления спирально профилированных труб при больших числах Рейнольдса // Изв. вузов. Энергетика. 1981. № 5. С.43-46.

77. Berkoune A., Al-Shemmeri Т.Т. Pressure Droup and Friction Correlations of Compact Heat Exchangers Dimped Flat Tubes // Proc. of ISHMT International Conf. New Developments in Heat Exchangers. Lisbon, Portugal. 1993.

78. Кириллов П.Л., Юрьев Ю.С., Бобков В.П. Справочник по теплогидравлическим расчетам // М.: Энергоатомиздат, 1984. 296 с.

79. Тейлор и др. Измерение и расчет влияния неоднородной шероховатости поверхности на коэффициент трения при турбулентном течении // Современное машиностроение. А. 1989. № 7. С. 100-105.

80. Анисин А.К. Теплоотдача и сопротивление трубчатой поверхности с двухсторонними сфероидальными элементами шероховатости // Изв. вузов. Энергетика. 1983. № 3. С.71-74.

81. Шрадер И.Л. и др. Интенсифицированные ТВП // Теплоэнергетика. 1999. №9. С. 54-56.

82. Назмеев Ю.Г., Конахин A.M., Кумиров Б.А., Шинкевич О.П. Экспериментальное исследование теплообмена при ламинарном течении в трубах с использованием проволочных спиральных вставок // Теплоэнергетика, 1994, №11. С.53-56.

83. Назмеев Ю.Г., Конахин A.M., Кумиров Б.А., Олимпиев В.В., Шинкевич О.П. Теплообмен и гидравлическое сопротивление при ламинарном течении вязкой жидкости в трубах с искусственной шероховатостью//Теплоэнергетика, 1993, №4. С.66-69.

84. Назмеев Ю.Г., Конахина И.А. // Интенсификация теплообмена при течении вязкой жидкости в трубах с винтовой накаткой // Теплоэнергетика, 1993, №11. С.59-62.

85. Уттавар, Раджа Рао. Интенсификация теплообмена при ламинарном течении в трубах с помощью проволочных спиральных вставок // Теплопередача, 1985, т. 107, №4. С. 160-165.

86. Ельчинов В.П., Смородина А.И., Кирпиков В.А. Интенсификация конвективного теплообмена в трубах при движении капельной жидкости повышенной вязкости // Теплоэнергетика, 1990, №6. С.34-37.

87. Петровский Ю.В., Фастовский В.Г. Исследование теплоотдачи и сопротивления при течении масла в модели статорной стали турбогенератора // Вестник электропромышленности, 1961. №6. С16-22.

88. Закиров С.Г., Каримов К.Ф., Саттаров Т. Применение двухмерной шероховатости для увеличения теплоотдачи вязкой среды // Труды II Российской национальной конференции по теплообмену. Т.6. Интенсификация теплообмена. С. 114-116.

89. Мигай В.К. Повышение эффективности современных теплообменников. Л.: Энергия, 1980. 143 с.

90. Хан. Теплообмен и трение в каналах с двумя оребренными противоположными стенками // Теплопередача. 1984. № 4. С. 82-91.

91. Хан, Чандра, Лау. Исследование распределений локального тепло- и массообмена при повороте на 180° в двухходовом гладком канале и в каналес ребристыми турбулизаторами на стенках // Теплопередача. 1988. № 4. С. 82-91.

92. Хан. Характеристики теплообмена и трения в прямоугольных каналах с турбулизирующими ребрами // Современное машиностроение. А. 1989. №2. С. 94-98.

93. Хан, Парк, Лей. Интенсификация теплообмена в канале с турбулизаторами // Энергетические машины и установки. 1985. № 3. С. 38-46.

94. Дилевская Е.В. Интенсификация процессов теплообмена в элементах систем охлаждения мощных полупроводниковых преобразователей энергии // Тр. Второй Рос. нац. конф. по теплообмену. М.: Изд-во МЭИ, 1998. Т.6.С. 87-90.