Влияние отрывных зон на вихреобразование и турбулентный теплообмен в круглой трубе

Богатко, Татьяна Викторовна

Влияние отрывных зон на вихреобразование и турбулентный теплообмен в круглой трубе тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Богатко, Татьяна Викторовна АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Новосибирск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.14 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Влияние отрывных зон на вихреобразование и турбулентный теплообмен в круглой трубе»

Автореферат диссертации на тему "Влияние отрывных зон на вихреобразование и турбулентный теплообмен в круглой трубе"

На правах рукописи

Богатко Татьяна Викторовна

ВЛИЯНИЕ ОТРЫВНЫХ ЗОН НА ВИХРЕОБРАЗОВАНИЕ И ТУРБУЛЕНТНЫЙ ТЕПЛООБМЕН В КРУГЛОЙ ТРУБЕ

01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 ОКТ 2013

Новосибирск - 2013

005534187

Работа выполнена в ФГБУН Институте теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук

Научный руководитель: д.т.н., профессор,

Терехов Виктор Иванович

Официальные оппоненты: Солоненко Олег Павлович -

д.т.н., профессор, зав. лабораторией, ФГБУН ИТПМ им. С.А. Христиановича СО РАН

Харламов Сергей Николаевич -д.ф.-м.н., профессор Национального исследовательского Томского государственного университета

Ведущая организация: Исследовательский центр проблем

энергетики Казанского научного центра РАН

Защита состоится 30 октября 2013 г. в 15:00 часов, на заседании диссертационного совета Д 003.053.01 в Институте теплофизики СО РАН по адресу: 630090, г. Новосибирск, проспект Академика Лаврентьева, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИТ СО РАН

Автореферат разослан 20 сентября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.ф.-м.н.

Кузнецов Владимир Васильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

В настоящее время, задача тепло- и энергосбережения входит в перечень приоритетных направлений развития науки и технологий РФ. Внедрение в промышленность энергосберегающих технологий требует создания более эффективного энергетического оборудования, обладающего повышенной надежностью. Одним из важных аспектов является проблема пассивной интенсификации теплообмена с помощью организации отрыва потока и возможности управления процессом тепломассопереноса. Пассивные интенсификаторы теплообмена отличаются простотой изготовления и высокой надёжностью. Широкое их использование в теплоэнергетическом оборудовании — теплообменниках, ядерных реакторах, камерах сгорания, каналах охлаждения газотурбинных установок - требует глубокого понимания структуры течения и тепломассообмена при вариации геометрии обтекаемого препятствия и термогазодинамических параметров внешнего потока.

Ввиду их чрезвычайной практической важности, турбулентные отрывные течения уже давно привлекают к себе пристальное внимание исследователей. Наличие циркуляционного пристеночного слоя в отрывном сдвиговом потоке за обратным уступом или при внезапном расширении круглой трубы сильно влияет на структуру вихреобразования и процессы энергообмена. Несмотря на относительную простоту данного типа течения, ряд аспектов этой проблемы остается слабоизученным и противоречивым. Это объясняется многофакторностью и сложностью механизма турбулентного отрыва потока в ограниченном канале, связанного с искривлением линий тока, реверсированием потока, присутствием вибраций, значительного градиента давления, наличием высокого уровня турбулентных пульсаций и пульсаций давления. Итон, Джонстон (1981) выделяют ряд параметров, влияющих на отрыв и присоединение потока: 1 - состояние отрывающегося пограничного слоя; 2 - толщина пограничного перед отрывом слоя; 3 - величина турбулентности во внешнем невозмущённом потоке; 4 - продольный градиент давления; 5 - степень расширения канала. Несмотря на то, что проблема обозначена и сформулирована уже достаточно давно, до сих пор не проводилось систематических исследований влияния данных параметров на гидродинамические и тепловые характеристики отрывных потоков в трубах, что является на сегодняшний день актуальной и практически важной задачей.

Цель диссертации заключается в изучении воздействия различных факторов на динамику турбулентного отрывного течения и теплообмен в круглой трубе, таких как: форма одиночного турбулизатора, наличие динамической и тепловой предыстории, продольный градиент давления, наличие минитурбулизаторов перед отрывом.

Задачи исследований, определяемые целыо диссертации:

1) Адаптировать пакет прикладных программ АЫБУЗ-РЬиЕЫТ для решения класса задач, связанных с турбулентными отрывными течениями.

2) Исследовать влияние формы поперечного сечения кольцевой диафрагмы на структуру потока и теплообмен в цилиндрическом канале.

3) Изучить характеристики турбулентного течения и теплообмена в трубе с внезапным расширением под воздействием динамической и тепловой предыстории потока.

4) Провести исследование влияния геометрических масштабов расширения круглой трубы и положительного градиента давления на структуру течения и характеристики турбулентного теплообмена в области, следующей за внезапным расширением.

5) Исследовать действие минитурбулизаторов на характеристики основного отрывного потока и теплообмен в трубе с внезапным расширением.

Научная новизна диссертации:

Подробно исследована структура течения и теплообмен в трубе при наличии диафрагм различной конфигурации. Показано существенное различие в характере обтекания преград различной формы поперечного сечения, а так же в их теплогидравлической эффективности.

Впервые изучено влияние динамической и тепловой предыстории потока на структуру течения и теплообмен в трубе с внезапным расширением. Установлено, что увеличение толщины динамического пограничного слоя приводит к росту масштаба рециркуляционной области, и к снижению интенсивности теплообмена. При наличии тепловой предыстории определено снижение теплообмена после внезапного расширения канала.

Выполнено систематическое исследование влияния степени расширения канала и продольного градиента давления на динамические характеристики потока и турбулентный теплообмен в трубе с внезапным расширением. Найдено, что при увеличении степени расширения теплообмен становится менее интенсивным, координаты точек присоединения и максимального значения коэффициента теплоотдачи №1тах сдвигаются вниз по потоку.

Показано, что рост продольного градиента давления приводит к увеличению размеров отрывной области и значительному снижению теплоотдачи.

Исследован процесс взаимодействия двух отрывных потоков различных масштабов в трубе с внезапным расширением. Установлено, что дополнительный турбулизирующий элемент в виде малой диафрагмы приводит к кардинальным изменениям структуры рециркуляционной зоны в канапе за уступом, смещению точки присоединения потока и соответственно, к перераспределению коэффициентов тепломассоотдачи. Приближение мннитурбулнзатора к точке отрыва приводит к увеличению размеров рециркуляционной области и повышению интенсивности теплообмена. Увеличение высоты минитурбулизатора аналогичным образом сказывается на характеристиках отрывного течения.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1) Результаты численного исследования структуры течения и теплообмена при обтекании одиночных диафрагм различной конфигурации в трубе.

2) Влияние динамической и тепловой предыстории потока на турбулентное отрывное течение и теплообмен в цилиндрическом канале с внезапным расширением.

3) Результаты численного исследования влияния степени расширения и продольного градиента давления на теплообмен в круглом канале с внезапным расширением.

4) Анализ перспективы интенсификации теплообмена в круглой трубе с внезапным расширением при наличии дополнительного интенсификатора.

Достоверность полученных в диссертации результатов подтверждается сравнением с экспериментами и аналитическими данными различных авторов, как: Леонтьев (1984); Ota (1987); Даррет (1989); Kottke (1982); Kuelin (1980); Мун (1977); Кталхерман (1970); Driver (1982). Достигнуто хорошее и качественное, и количественное согласие с результатами этих работ. Проведены предварительные тестовые расчёты, результаты которых сравнивались с аналитическими данными и экспериментами следующих авторов: Даррет (1989); Поляков (1996); Кталхерман (1970). Основные характеристики течения, профили турбулентных пульсаций, распределение коэффициентов теплоотдачи показали хорошее соответствие экспериментальным данным вышеперечисленных исследователей.

Практическая значимость.

Уменьшение размеров и веса теплообменных аппаратов, а также повышение их износостойкости тесно связаны с необходимостью интенсификации процесса теплопередачи. Одним из возможных применений результатов работы является выбор формы и параметров оребрения для компактных теплообменников. В работе на основе комплексного исследования течения в трубе показано, что, варьируя параметры внешнего потока и изменяя геометрию отрывного течения, можно эффективно управлять динамикой и теплоотдачей отрывного потока. Полученные в результате численного эксперимента данные могут быть полезны при исследовании отрывных течений в схожих условиях.

Данные, представленные в диссертации, могут быть использованы при проектировании и усовершенствовании теплообменных устройств и микроэлектронной аппаратуры. Они могут быть полезны при усовершенствовании проточных трактов авиационных и ракетных двигателей, сопел и воздухозаборников летательных аппаратов и генераторах низкотемпературной плазмы.

Результаты исследований представлены в виде корреляционных соотношений, которые могут быть использованы для инженерных расчётов, а также для проведения предварительной оценки отрывных течений со сложными граничными условиями.

Апробация работы.

Основные результаты диссертации были представлены на 15-ти всероссийских и международных конференциях:

IX, X, XI Всероссийских школах-конференциях молодых учёных «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (Россия, Новосибирск, 2006, 2008, 2010); XVI, XVII, XVIII, ХГХ Школах-семинарах молодых учёных и специалистов под руководством ак. А.И. Леонтьева (Россия, 2007, 2009, 2011, 2013) Всероссийская школа-семинар молодых учёных «Физика неравновесных процессов в энергетике и наноиндустрии». (Россия, Новосибирск, 2007); VI Минский Международный Форум по тепломассообмену. (Беларусь, Минск, 2008); VI Школа-семинар молодых учёных и специалистов под руководством академика РАН В.Е. Алемасова (Россия, Казань, 2008); б'1', 7th International Conferences on Computational Heat and Mass Transfer. (China, 2009; Turkey, 2011); XXII Юбилейный семинар с международным участием по струйным, отрывным и нестационарным течениям (Россия, Санкт-Петербург. 2010); 14-th Int. Heat Transfer Conf., Washington D.C., USA. 2010; Advances in Computational Heat Transfer, CHT-12 (Bath, England 1-6 July 2012).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 25 работ: из них 5 - в изданиях, вошедших в перечень ВАК; 2 - в научных зарубежных журналах; 18 - в сборниках зарубежных и отечественных научных конференций.

Личный вклад автора заключается в анализе существующих теоретических, экспериментальных и численных работ по теме диссертации; адаптации программного комплекса для расчёта турбулентных отрывных течений; проведении численных исследований; обработке и анализе полученных результатов; оформлении публикаций по результатам исследований.

Структура, объем и содержание диссертации.

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованных источников из 142 наименований. Полный объем диссертации -170 страниц, включая 89 рисунков и 4 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, её научная и практическая значимость, новизна работы, сформулированы задачи исследования, дано краткое содержание диссертации.

В первой главе на основании анализа существующих экспериментальных, расчётных и теоретических работ представлено современное состояние вопроса по изучению характеристик отрывных течений в ограниченных каналах и трубах.

Экспериментальные исследования в данной области являются сложными, многофакторными и дорогостоящими. При этом существуют трудности проведения экспериментов в трубах из-за оптических искажений, обусловленных криволинейностью стенки (Даррет и др., 1989). В связи с этим, эксперименты проводятся преимущественно в каналах прямоугольного сечения, течение в которых носит ярко выраженный трёхмерный характер при наличии особенностей в угловых зонах. Как итог, вихревые зоны при отрыве потока в трубе и прямоугольном канале имеют различную протяжённость даже при малой степени расширения канала (Эббот Д.Е., Клайн С.Дж., Lim K.S., Park Н., Михеев Н.И., Молочников В.М. и др.)

В связи с перечисленными трудностями экспериментального исследования отрывных течений, за последнее десятилетие значительно возросло количество расчётных работ по данной тематике (Дрейцер Г.А., Исаев С.А., Miyake Y., Kondoh Е., Neumann J., Greiner M. н др.). Этому способствовало интенсивное развитие компьютерной техники и прикладного

программного обеспечения. На сегодняшний день, в научных и прикладных исследованиях широкое распространение нашли универсальные пакеты прикладных программ: CFX, VP2/3, FLUENT, o-Flow, Flowvision, StarCD и др.

Теоретический подход к описанию турбулентных отрывных течений весьма сложен и этот вопрос является актуальным и до сегодняшнего времени. Проведены обширные работы по созданию инженерных методов расчёта отрывных течений (Леонтьев А.И., Мигай В.К., Олимпиев В.В., Гортышов Ю.Ф. и др.), которые с достаточной точностью предсказывают основные характеристики таких потоков. Однако ни один из этих методов не является универсальным и, как правило, использование их ограничено геометрией канала, формами турбулизирующих элементов, режимами течения и другими факторами.

В первой главе диссертации также дана классификация отрывных течений в ограниченных каналах и трубах. Показаны механизмы вихреобразования в потоках и влияние основных параметров на структуру отрывного течения и теплообмен. Среди основных факторов можно отметить:

• Число Рейнольдса и тип отрывающегося пограничного слоя (ламинарный, переходный, турбулентный).

• Геометрия каналов и труб. Течение на пластине, в прямоугольном канале, в трубе.

• Форма препятствия, вызывающая отрыв потока. Внезапное расширение в трубе, плоская кольцевая диафрагма и диафрагмы прямоугольного и сегментообразного сечения, кольцевая траншея.

• Динамическая и тепловая предыстория потока. Уровень внешней турбулентности.

• Влияние степени расширения и продольного градиента давления.

• Наличие дополнительных возмущающих элементов перед отрывом потока. Взаимодействие вихревых потоков различных масштабов от мннитурбулизаторов (табов) при расширении канала.

Недостаток информации о влиянии вышеперечисленных параметров явился основанием для проведения систематического численного исследования.

Во второй главе описаны инструменты численного исследования, методы расчёта турбулентных отрывных течений и оценка погрешностей. Подробно рассмотрены различные модели турбулентности и проведен анализ выбора модели для данного исследования. Представлены результаты

тестирования и сопоставление расчётов с экспериментальным материалом. В целом, удалось достичь хорошего соответствия расчётных и экспериментальных данных для интересующего класса задач.

Основным инструментом численного исследования был выбран пакет прикладных программ А^УБ-РШЕТ^Т. Данный расчётный комплекс предназначен для моделирования сложных течений жидкостей и газов с широким диапазоном свойств. В нем реализованы все наиболее известные модели турбулентности и их модификации. Перед тем как приступить к проведению расчетов, программный комплекс тщательно тестировался. На данном этапе проходил выбор оптимальных параметров сеток, расчётных алгоритмов и модели турбулентности. При тестировании расчёта турбулентных отрывных течений были использованы различные геометрии каналов и труб. Основное внимание уделялось осесимметричным течениям. Сопоставление результатов расчёта проводилось с теоретическим материалом и экспериментальными данными Полякова (1996), Кталхермана (1970), Даррета (1989).

Сравнительный анализ результатов тестирования показал, что наиболее приемлемой моделью турбулентности для расчёта турбулентных отрывных течений является модель сдвиговых напряжений Ментера Ф.Р. (к-ш ББТ), результаты расчёта которой лучше всего согласуются с физикой отрывного течения. Даная модель эффективно сочетает устойчивость и точность стандартной к-со модели в пристеночных областях и к-е модели на удалении от стенки. Ниже представлены основные математические соотношения и константы данной модели (Меп1сг, 1994,2003):

1 дк дт т дх, дх;

Т7, = 1ап)1 < < пни тах

(ч 1 дк 5т ,„_■ СОка = тах 2раа2-——,10

ГО дХ: ОХ:

Р* = 0.09. а-, =5/9, а2=0.44, Д =3/40, рг= 0.0828,

сгА1=0.85, ак2 = 1. сгы1 = 0.5, аш2 = 0.856

В конце главы приведены рекомендации по выбору расчётных сеток, граничных условий и моделей турбулентности, а также перечислены классы задач, на которые распространяются данные рекомендации.

Третья глава посвящена численному исследованию влияния геометрии одиночного интенсификатора на динамику отрывного течения и теплообмен в цилиндрической трубе (В=100мм). Рассматриваются одинаковые по высоте (Ь=0,150) и различные по форме поперечного сечения турбулизирутощие элементы, выбранные для сопоставительного анализа, как наиболее часто используемые при конструировании теплообмениых аппаратов (рис.1). Рассмотрение единичного элемента позволяет существенно глубже изучить физику явления.

К // # 11 [ /« IИ 1 /

1 ш

// ¡1 ! / #2, 1л ¡1 !

¿ )П

К а #5 ь

Л1

К Г # 4 и

* /7

Г, /И ....

я т #6 1 11

Рис. 1. Формы поперечного сечения кольцевых диафрагм.

Расчеты проводились в диапазоне чисел Рейнольдса от 5-103 до 5-Ю4 для развитого турбулентного течения. Перед преградой динамический и тепловой профили имели развитой характер. Тепловые граничные граничные условия на стенках трубы и непосредственно на поверхности препятствия - постоянство теплового потока (я„=сош1). Основная задача

исследования состояла в выявлении наиболее оптимальной формы для интенсификации теплообмена.

Зависимость максимального числа Нуссельта от числа Рейнольдса для

различных преград представлена на рис.

1,7-

1.5-

1.4

1,3

/\ . О

/ ö-A

__*

— а

1x10*

2x10

3x10'

4x10* 5x10'

2. Здесь расчётные данные по теплопередаче представлены в виде отношения Nu/Nuo, где величина А'«0 = 0.022 • Re^0-8 ■ Рг"'6 описывает теплообмен на стабилизированном участке круглой трубы без преграды (Кейс, 1972). Как видно, максимальное число Нуссельта в 1.4-2 раза превышает его значение при безотрывном течении. Причём форма преграды оказывает заметное влияние на Nunlax, и максимальный эффект

Рис. 2. Относительная величина максимального значения коэффициента теплоотдачи для преград различной формы.

наблюдается при обтекании плавного цилиндрического сегмента (форма 3), а наименьший - для препятствия прямоугольной формы (форма 4).

Изменение кинетической энергии турбулентности вдоль трубы на высоте, совпадающей с вершинами преград (Ь/К=0,3), демонстрируется на

рис.3. Максимальный уровень турбулентной энергии

производит отрыв потока за телами с острыми кромками (формы 4 и 5). Как и следовало ожидать, для препятствий цилиндрической формы турбулентная энергия снижается, а наименьшее значение она имеет для цилиндрической канавки

0 , т, (форма 6).

Рис. 3. Кинетическая энергия

турбулентности.

Re =27 500

Форма 1 Форма 2 . Форма 3 Форма 4 Форма 5 Форма 6

Для практических приложений при оптимизационном анализе наиболее важную роль играет параметр теплогидравлической эффективности, представляющий собой отношение прироста теплоотдачи к потере мощности на прокачку теплоносителя (Ligrani, 2006). Величина параметра тепло-гидравлической эффективности представлена на рис. 4. Видно, что наиболее

выгодной в этом плане о Форма 1 в Форма 4 выглядит кольцевая

.....Форма 2 -а......Форма 5 впадина (форма 6).

• А.....Форма 3 .....Ф.....Форма 6

Несмотря на незначитель-

■йг ........-¿г г

...■й-..................ж-......—.....—*..............нын прирост коэффициента

<г—

теплоотдачи, данный тип препятствия снижает

........ .. . ........X......«.......> СОПрОТИВЛвНИв В фу5С.

д;::;;--. Преграды с острыми

.........Я" :fih=r—S кромками (формы 4 и 5)

являются малоэффективными, а цилиндрические

со 1.so-

---

SKF us-

¿¡J

о 1,70

"3 1,65-

Z -

"—' 0,8-

0,6-

0,4-

.............?.............. О

1x10* 2x10' 3x10* 4x10' 5x10

Рис. 4. Тешюпшравлическая эффективность преград различной формы.

Re,,

D выступы занимают

промежуточное положение.

В четвертой главе описаны результаты исследования влияния динамической и тепловой предыстории на отрыв, присоединение и дальнейшее развитие течения в трубе с внезапным расширением. Эти данные демонстрируют эволюцию течения после внезапного расширения при изменении толщины динамического и теплового пограничных слоев.

Вначале было изучено влияние толщины отрывающегося пограничного слоя на характеристики течения и локальный теплообмен. Геометрические параметры рабочей области, такие как степень расширения и высота ступеньки были зафиксированы, а толщина пограничного слоя варьировалась за счёт увеличения длины стабилизационного участка. Отношение толщины пограничного слоя к высоте уступа изменялось в диапазоне (S/h) = 0 + 3, начиная со случая отсутствия пограничного слоя перед отрывом до развитого течения со смыканием пограничных слоев на оси трубы.

На рис. 5 представлены результаты влияния толщины динамического слоя перед отрывом на длину отрывной области и максимального числа Nu при вариации числа Рейнольдса. Наличие пограничного слоя перед отрывом потока кардинально сказывается на длине зоны рециркуляции: с ростом

толщины пограничного слоя размер отрывного пузыря вдоль по потоку возрастает вначале интенсивно, а затем темп роста замедляется.

131211109

¡ У Не,=67С0 -Л- Яе,= 13300

-О- Ие =27500 - V- 1^=67700

б/Ь

-О- Яе^ЗЗЗОО

ЕЗОО

2 250200 150 10050

О,

о—о

-ЧЗ- Ве==6700 -Д- Яе0=13300 —О— Яел=27500 -^Яе,=67700 -О-Ке =133300

V-"

0,0

0.0 0,5

1.0

1,5 2.0

а)

2.5 3.0

2,5 3.0

5/И

б)

Рис. 5. Зависимость длины отрывной области (а) и максимума теплоотдачи (б) ог толщины динамического пограничного слоя перед отрывом.

Для исследованной геометрии канала с большой степенью расширения, равной ЕЯ = (О. /£>,)2 = 1,78, изменение максимального числа Нуссельта от толщины пограничного слоя невелико (рис. 56). Видно, что с увеличением толщины пограничного слоя значение Мигшх снижается.

Вторая часть исследования посвящена изучению влияния толщины теплового пограннчного слоя на теплообмен в трубе с внезапным расширением. Все геометрические и динамические параметры задачи оставались такими же, как и в первой части исследования. Варьируемой величиной была толщина теплового пограничного слоя перед расширением трубы, которая изменялась в максимально возможных пределах за счёт вариации длины обогреваемого участка. Тепловые граничные условия на стенках трубы — постоянство теплового потока ^"согЫ). Величина подбиралась таким образом, чтобы перепад температур стенки и воздуха не превышал ЛТ~ 40°, и условия течения были близки изотермическим.

Результаты исследования показали существенное влияние толщины теплового пограничного слоя на максимум коэффициента теплоотдачи и его местоположение (рис. 6).

Снижение теплообмена по мере увеличения толщины теплового слоя (рис. 6а) объясняется расширением толщины слоя смешения и уменьшением градиента температуры в пристенной области. Если одновременно будет изменяться и динамическая предыстория, которая также оказывает влияние на теплоотдачу, то совместное воздействие динамической и тепловой предыстории может дать еще более ощутимый эффект.

300 250 200 150100500

—■— Иег=6700 Ре,=13300 ■-•-■ Ве.=27500 -»■-■ Ре,=67700 -♦- Яе =133300

0,0

2.5 3,0 б^Ь

а)

Е 18-к 1614. 12 10

-□-Р^бТОО -¿-Яе^ЗЗОО -о-1^=27500 —V— Яей=67700 -о-Яе =133300

А-

д-£

0.0 0

___д—

----о—■

2,5 3,0 5/1

б)

Рис. 6. Зависимость максимального коэффициента теплоотдачи в отрывной области (а) и координаты его местоположения (б) от толщины теплового пограничного слоя перед отрывом.

Общей тенденцией в местоположении максимальной теплоотдачи является его удаление от места внезапного расширения трубы по мере увеличения толщины теплового слоя (рис. 66). В то же время положение точки максимума теплоотдачи не автомодельно по числу Рейнольдса.

Для обобщения расчетных данных по максимальной теплоотдаче были выбраны координаты, используемые при обобщении данных для отрывных течений в виде зависимости КиП1ах1 =_/(11е,). Здесь Китах£ = «тах Ш, = ус, Ы к а величина /,= фг + Д'„2,„ — есть расстояние между точкой отрыва и координатой максимального значения коэффициента теплоотдачи.

Результаты обобщения расчетных данных при вариации толщины теплового слоя представлены на рис. 7. Анализ показал, что все результаты с погрешностью не более 5,7 % описываются корреляционным соотношением

Мд^ = 0,054 Яе®'72 (1 - 0,7(4" /А)0'75). (1)

Первый сомножитель в формуле (1) описывает поведение максимального числа Нуссельта при отсутствии теплового слоя перед отрывом потока. Это соотношение дает достаточно близкие результаты к полученным в работе Леонтьева и др. (1984). Второй сомножитель в (1) отражает влияние тепловой предыстории на характеристики теплообмена в отрывной области.

f 100-

Рис. 7. Обобщение расчетных данных по максимальной теплоотдаче. Точки — расчетные данные, линия — корреляционная формула (1).

10000

Re,

Результаты численных расчетов по теплообмену сравнивались с опытными данными работы КоНке

100000

(1982) по массоотдаче.

Несмотря на имеющиеся отличия в постановках расчетной и экспериментальной задач, расчет правильно отражает поведение экспериментальных данных (рис.8). Величина максимальной тепломассоотдачи за счет нарастающего теплового (диффузионного) слоя может снижаться при толстых пограничных слоях (¿»¿/И > 3) практически в два раза (рис. 8а).

Рис. 8. Сравнение расчётных (лшшя, ¡штор) и опытных (точки- Kottke, 1982) данных по влиянию толщины диффузионного слоя на массоотдачу (а) и координату ее максимума (б).

Результаты расчета координаты максимальной массоотдачи также хорошо совпадают с экспериментальными данными. Наибольшее смещение точки максимума теплообмена от места отрыва за счет толщины теплового (диффузионного) слоя составляет порядка 15% (рис. 86).

В пятой главе приведены результаты численного исследования влияния степени расширения и продольного градиента давления на динамические и тепловые характеристики потока. Степень расширения канала ER= (D2/Di f варьировалась в диапазоне от 1.085 до 4. В рамках

1.0-1

1,20 -,

0 0,1 0,2 5У/А а)

0 0,05 0,10 0,15 5у/А б)

данного исследования рассматривались два случая течения на входе в трубу: полностью развитое и с равномерным профилем скорости.

Сравнение полученных результатов с экспериментальными данными других авторов показано на рис. 9а. С увеличением степени расширения наблюдается существенное возрастание длины рециркуляционной зоны. Протяжённость области возвратных течений составляет от 5 до 13 калибров. В области малых расширений наблюдается согласие расчета с экспериментом, а при больших расширениях расчет дает завышенные значения х/Ъ, что требует дальнейшего изучения.

Наличие пограничного слоя перед точкой отрыва заметно сказывается на абсолютных величинах, таких как координата максимума теплоотдачи и величина максимального коэффициента теплоотдачи (см. рис. 96 и рис. 9в).

=£ 13

11 10 9 8 7 Б 5 4

=133 300

! А ■

—Расчет 5=0 шш —•— Расчет г=г=60тт О

* О

□ Мун (1977)

О Даррет (1989)

А Кюн (1980)

О Кталхерман (1970)

1,0 1.5 2.0 2.5 3,0 3,5 4,0 4,5

ЕЙ

а)

- 9

е, в

< 7 в 5 4

Яеа=133 300;

И=2.5.....60 мм

О'"

/ Р''

..О------

— о

-О

-□-5=0 ММ —О— б=Г=60 мм

50 60

Ь, мм

б)

Й 1200 Е

- 1000800 600 400 200

Ре =133 300; Ь=2.5.....60 мм

Р ш.

-о— 5=0 мм -О— 5=Г=60 мм

50 60

Ь, мм

в)

Рис.9. Влияние степени расширения трубы на основные характеристики течения и теплообмен.

а) относительная длина рециркуляционной зоны; б) максимальное значение теплообмена; в) местоположение максимального теплообмена.

Исследование влияния продольного градиента давления после внезапного расширения круглой трубы проведено при фиксированной степени расширения ЕЯ = ф2/£>,)2 = 1.78 при вариации угла раскрытия диффузора а= 0 5°.

На рис. 10а представлено сравнение полученных результатов по координате точки присоединения хг с экспериментальными данными других авторов. Здесь данные представлены в зависимости от параметра Кейса

г, у п <- - 1

к=~——. В ооласти малых значении параметра к можно отметить и* ах

тенденцию к корреляции опытных и расчетных данных. Для высоких параметров к, характерных для осесимметричных течений, опытные данные в литературе отсутствуют, при этом расчет дает сильное возрастание длины зоны рециркуляции вплоть до отсутствия присоединения отрывного потока. На тепловых характеристиках положительный градиент давления сказывается в значительно меньшей мере, причем положение максимума теплоотдачи смещено отточки присоединения (рис. 106).

Рис. 10. Влияние продольного градиента давления, а) Относительная координата точки присоединения; б) Максимальное значение теплообмена и его местоположение.

В шестой главе представлены результаты исследования пассивного управления отрывным течением, как способа повышения теплоотдачи с использованием дополнительных турбулизирующих элементов, существенно меньших геометрических масштабов, чем основное препятствие, вызывающее отрыв потока.

В данном исследовании расчётная область представляет собой цилиндрический канал с внезапным расширением (г/11=0,6; 11=100 мм). Для дополнительного возмущения пограничного слоя, в трубу малого калибра устанавливалась плоская кольцевая диафрагма высотой И 8 (рис.11).

Управление отрывным течением осуществляется за счет введения в отрывную зону дополнительного вихревого слоя, приводящего к кардинальным изменениям структуры сдвигового слоя и всей рециркуляционной зоны, смещению точки присоединения потока и соответственно к перераспределению коэффициентов тепломассоотдачи. Поиск оптимальных размеров вихреобразователей, их местоположения в

совокупности с масштабами основного отрывного течения представляет собой сложную многопараметрическую задачу. В рамках данного исследования производилась вариация высоты дополнительного турбулизирующего элемента и его расположения относительно внезапного расширения трубы

Сравнение относительных длин координаты точки максимума теплоотдачи хпшх. значения Ми,па„ а также протяженности рециркуляционной зоны хк для всех рассмотренных случаев представлено на рис. 12 при фиксированных значениях Ь/11=0,4 и Ь„/Я=0,1.

. 2.4 т

</„=С0И1(

Рис. 11. Схема расчётной области.

. х /х

те* тах_0

о..

-А-

, N0 Л*!«,

---Д__

-А

в/И

Рис. 12. Относительные значения координаты точки присоединения, максимального коэффициента теплоотдачи

и его расположения при вариации положения турбулизирующей диафрагмы.

Можно отметить, что все эти величины снижаются по мере удаления диафрагмы от уступа (рис. 12). Наибольшее влияние местоположения диафрагмы наблюдается для координаты максимума теплоотдачи Хт/Хто, причем его координата не совпадает с точкой присоединения потока и располагается значительно дальше по потоку. Наиболее слабые изменения претерпевает величина максимального коэффициента теплоотдачи, что наглядно демонстрирует рис. 12.

При этом распределение локальных значений числа Нуссельта, представленное на рис. 13, свидетельствует о принципиально ином характере распределения локальных коэффициентов теплоотдачи в зависимости от местоположения вихреобразующей минидиафрагмы. При отрыве потока без диафрагмы распределение имеет ярко выраженный максимум с последующей релаксацией течения до развитого турбулентного. При наличии диафрагмы, начиная с места присоединения сдвигового потока, имеется достаточно протяженное «плато» с практически постоянным

коэффициентом теплоотдачи. Очевидно, что интегральный теплообмен, рассчитанный по участку трубы длиной 0 < Х/Ь< 25-КЗО, где наблюдается интенсифицированная теплоотдача, как это следует из рис. 13, будет значительно превышать его величину без вихреобразующей минидиафрагмы. В то же время значения N11 тем больше, чем ближе к краю уступа установлена преграда. Таким образом, можно предположить, что теплообмен увеличивается в связи с дополнительным воздействием турбулизированного следа от диафрагмы на структуру отрывного потока за уступом или внезапным расширением трубы. Происходит увеличение масштабов рециркуляционной зоны и скорости вращения потока в ней.

350 300 250 200 150 100 50

Р!е=133300; Ьг/Я=0,1

- Без Диафрагмы

----3,/Ь,=15 ......5д/Ъд=10

-5д/Ь3=5 -----Б5/Ь8=0

х/Ь

Ъ22'

-<2.0* 1,8- V?

5' 1.6-

1 1,4 а

£ 1.2-

1,0- й-О;

> 0,8- о

0 5

ф-

' Ми /Ыи

Ж-—

О.

□

А -О

И ..

Рис. 13. Распределение чисел Нуссельта на стенке после внезапного расширения при наличии диафрагмы.

Рис.14. Влияние высоты диафрагмы на характерные параметры отрывного течения.

Сравнение относительных длин координаты точки максимума теплоотдачи, значения этого максимума, а также протяженности рециркуляционной зоны для переменной высоты диафрагмы представлено на рис. 14. Вариация высоты дополнительного вихреобразуюшего элемента производилась в пределах 0 0,211, в то время как его положение было зафиксировано (8„/К= 1).

Как видно из рисунка 14, увеличение высоты дополнительного турбулизатора приводит к росту отрывного пузыря, повышению уровня теплообмена на стенке за уступом, а так же к смещению положения максимального теплообмена вниз по потоку. Надо отметить, что относительная координата Мипгах ведёт себя немонотонно. Возможно, это связано с присоединением потока непосредственно на кромке внезапного расширения трубы.

В целом, в этой задаче остается много неизученных, особенно в экспериментальном плане, вопросов. В частности, это относится к влиянию

геометрического масштаба турбулизатора по сравнению с размером основного отрывного элемента, числа Рейнольдса потока и т.д. Однако первые данные численного эксперимента говорят о значительных потенциальных возможностях подобного метода управления тепломассообменом.

В заключении сформулированы основные результаты диссертации:

1. Получены новые данные для течения в трубе при наличии диафрагм различной конфигурации. Показано существенное различие в характере обтекания преград различного поперечного сечения. Представленные данные позволяют сделать вывод о том, что наиболее оптимальными формами интенсификаторов являются диафрагмы сегментообразного сечения и поперечная канавка.

2. Впервые изучено влияние динамической и тепловой предыстории потока на структуру течения и теплообмен в трубе с внезапным расширением. Показано, что в отличие от безотрывного течения, предыстория потока играет существенную роль при отрыве, присоединении и дальнейшем развитии потока. Установлено, что увеличение толщины динамического пограничного слоя приводит к росту масштаба рециркуляционной области, и к снижению интенсивности теплообмена. При наличии тепловой предыстории теплообмен после внезапного расширения становится менее интенсивным. Получены обобщающие зависимости, которые рекомендуется использовать в инженерных расчётах.

3. Выполнено систематическое исследование влияния степени расширения трубы на динамические характеристики потока и теплообмен после внезапного расширения. Показано, что при увеличении степени расширения теплообмен становится менее интенсивным, координаты точек присоединения и Митах сдвигаются вниз по потоку. Представлена корреляционная формула, которая позволит рассчитывать отрывное течение с учётом степени расширения канала. Получены новые данные по влиянию положительного продольного градиента на турбулентный теплообмен в трубе с внезапным расширением. Показано, что рост продольного градиента давления приводит к увеличению размеров отрывной области и значительному снижению теплоотдачи.

4. Изучен процесс взаимодействия отрывных потоков различных масштабов в трубе с внезапным расширением. Установлено, что дополнительный турбулизирующий элемент приводит к кардинальным изменениям структуры рециркуляционной зоны, смещению точки присоединения потока и, соответственно, к перераспределению коэффициентов тепломассоотдачи. Приближение преграды к точке отрыва приводит к

увеличению размеров рециркуляционной области и повышению интенсивности теплообмена. Увеличение высоты дополнительного турбулизирующего элемента аналогичным образом сказывается на характеристиках отрывного течения. Данные численного эксперимента свидетельствуют о значительных потенциальных возможностях подобного метода управления тепломассообменом.

Список работ, опубликованных автором по теме диссертации

1. Терехов В.И., Богатко Т.В. Влияние толщины пограничного слоя перед отрывом на аэродинамические характеристики и теплообмен за внезапным расширением в трубе // Теплофизика и аэромеханика. - 2008. -Т. 15, № 1. - С. 99-106 (из перечня ВАК).

2. Терехов В.И., Богатко Т.В. Влияние тепловой предыстории на турбулентное отрывное течение при внезапном расширении трубы// Теплофизика и аэромеханика. - 2011. - Т. 18, № 2. - С. 225-232 (из перечня ВАК).

3. Богатко Т.В., Терехов В.И. Халатов A.A. Структура течения и теплообмен при турбулентном обтекании одиночных преград различной формы в трубе// Тепловые процессы в технике. - 2012. Т.4.№ 4. с. 146-155 (из перечня ВАК).

4. Bogatko T.V., Terekhov V.l. Numerical Investigation of Heat Transfer Enhancement in a Turbulent Flow Past Single Obstacles of Different Configurations in a Tube// Heat Transfer Research - 2008. - Vol. 39, No 8. - P. 723-730 (из перечня ВАК).

5. Зелеиецкий В. А., Богатко Т. В. Об одном способе описания пристенного слоя // ПМТФ. - 2011. - Т. 52, № 2. - С. 73-80 (из перечня ВАК).

6. Богатко Т.В. Расчёт характеристик турбулентности и теплообмена за обратным уступом в кольцевом канале // VI Региональная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых учёных. Материалы конференции. - Новокузнецк, 2006. С 12-14.

7. Богатко Т.В., Терехов В.И. Численное исследование теплообмена в трубе с диафрагмами // IX Всероссийская школа-конференция молодых учёных «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики». Материалы конференции. - Новосибирск, 2006. С 22-24.

8. Богатко Т.В., Терехов В.И. Численное исследование интенсификации теплообмена при турбулентном обтекании одиночных диафрагм различной формы в трубе. Труды XVI Школы-семинара молодых учёных и специалистов под руководством ак. А.И. Леонтьева - М.: Изд. дом МЭИ, 2007. Том 2, с. 420-424.

9. Богатко Т.В., Терехов В.И. Влияние толщнны пограничного слоя на теплообмен за внезапным расширением в круглой трубе // Всероссийская школа-семинар молодых учёных «Физика неравновесных процессов в энергетике и наноиндустрии». Материалы конференции. - Новосибирск, 2007. С 32-34.

Ю.Богатко Т.В. Управление отрывным течением в трубе с внезапным расширением // Тезисы докладов X Всероссийской школы-конференции молодых ученых «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики», Новосибирск: ИТ СО РАН. - 17-21 ноября 2008. -С .31-32.

11 .Богатко Т.В., Терехов В.И. Численное исследование теплообмена в трубе с диафрагмами. Труды VI Минского Международного Форума по Тепломассообмену. В 2 томах. 2008. Том 1, с. 159-161.

12.Богатко Т.В., Терехов В.И. Теплообмен в круглой трубе с различной степенью внезапного расширения // VI Школа-семинар молодых учёных и специалистов под руководством ак. В.Е. Алемасова. Казань, 2008.

13.Terekhov V.I., Bogatko T.V. Numerical Investigation of Turbulent Heat Transfer in the Pipe with the Various of Sudden Expansion // Proc. of the 6-th Int. Conference on Computational Heat and Mass Transfer (ICCHMT-6), Guangzhou, China. - 18-21 May 2009. - Paper № 235. - P. 326-330.

14.Богатко Т.В. Управление отрывным течением в трубе с внезапным расширением // Труды XVII Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством ак. А.И. Леонтьева, ЦАГИ, Жуковский, Московская область. - 25-29 мая 2009. - Т.2. - С. 31 -34.

15.Bogatko Т.V., D yachenko A.Yu., Terekhov V.I., Yarygina N.I. Control of heat transfer in separated flows with the help of miniturbulators // Proc. of the 14-th Int. Heat Transfer Conf., Washington D.C., USA. - 8-13 August 2010. -Paper IHTC14 -22153.-7 p.

16.Богатко Т.В. Теплообмен в круглой трубе с различной степенью внезапного расширения // Тезисы докладов всеросс. школы-конф. молодых ученых «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики». 17-19 ноября 2010. - Новосибирск: Изд-во ИТ СО РАН.-С. 18.

17.Богатко Т.В., Дьяченко А.Ю., Терехов В.И., Ярыгина Н.И. Пассивное управление вихреобразованием и теплообменом в турбулентных отрывных потоках // Тезисы докладов XXII Юбилейного семинара по струйным, отрывным и нестационарным течениям. Санкт-Петербург. - 2225 июня 2010. Изд-во Балт. Гос. техн. ун-т. СПбГУ-СПб. - С. 30-32.

18.Богатко Т.В., Терехов В.И. Влияние динамической и тепловой предыстории потока на теплообмен за внезапным расширением в круглой трубе // Тезисы докладов XVIII школы-семинара молодых учёных и специалистов под руководством ак. А. И. Леонтьева, г. Звенигород. - 2327 мая 2011. - Москва, Издательский дом МЭИ, 2011. С 39-40.

19.Bogatko Т.V., Terekhov V.I. Numerical investigation enhanced heat transfer at the turbulent flow of single obstacles with various form in the tube// Proc. of the 7-th Int. Conference on Computational Heat and Mass Transfer (ICCHMT-7), Istanbul, Turkey. - 18-22 July 2011, paper №223.

20.Bogatko T.V., Terekhov V.I. The effect of dynamics and thermal prehistory on turbulent separated flow at abrupt tube expansion// Proc. of the CHT-12 Advances in computational heat transfer symposium, Bath, England. - 1-6 July 2012, paper №TM07.

21.Богатко T.B., Пахомов M.A., Терехов В.И., Шумейко А.А. Эйлерово и лагранжево моделирование динамики течения и теплообмена в газокапельном потоке за внезапным расширением трубы // Труды XXIII Всероссийского семинара по струйным, отрывным и нестационарным течениям. НИ ТПУ, Томск. 26-29 июня 2012. С. 53-57.

22.Богатко Т.В., Пахомов М.А., Терехов В.И., Шумейко А.А. Влияние испаряющихся капель на турбулентность и теплообмен в двухфазном отрывном потоке // Тезисы докладов XI Международной конференции «Забабахинские научные чтения». Снежинск, РФЯЦ-ВНИИТФ. 16-20 апреля 2012. С. 48.

23.Bogatko Т.V., Pakhomov М.А., Terekhov V.I. Eulerian and Lagrangian simulations of gas-droplets subsonic flow of a pipe sudden expansion // Abstracts of 13th Int. Workshop on Two-Phase Flow Predictions. MartinLuther University, Halle (Saale), Germany. September 17-20,2012. P. 62-63.

24.Bogatko T.V., Terekhov V.I. The effect of dynamics and thermal prehistory on turbulent separated flow at abrupt tube expansion// ICHMT Digital Library Online. 2012. 18 p.

25.Богатко T.B. Влияние положительного градиента давления на конвективный теплообмен в трубе с внезапным расширением // Тезисы докладов XIX школы-семинара молодых учёных под руководством ак. А.И. Леонтьева, г. Орехово-Зуево. - 20-24 мая 2013. - Москва, Изд. дом МЭИ, 2013. С 41-42.

Подписано к печати 16 сентября 2013 г. Формат 60x84/16. Тираж 120. Заказ № 32

Отпечатано в Институте теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН 630090, Новосибирск, пр. Ак. Лаврентьева, 1.

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата технических наук, Богатко, Татьяна Викторовна, Новосибирск

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук

На правах рукописи

04201364296

Богатко Татьяна Викторовна

ВЛИЯНИЕ ОТРЫВНЫХ ЗОН НА ВИХРЕОБРАЗОВАНИЕ И ТУРБУЛЕНТНЫЙ ТЕПЛООБМЕН В КРУГЛОЙ ТРУБЕ

Специальность 01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Терехов В.И.

Новосибирск - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................5

ГЛАВА 1. ОТРЫВНЫЕ ТЕЧЕНИЯ И ИХ ОСОБЕННОСТИ. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА..................................................................................13

1.1 Процессы динамики и тепломассопереноса в отрывном течении за обратным уступом........................................................................17

1.2 Особенности газодинамики и тепловых характеристик при отрыве за плоской диафрагмой.....................................................................27

1.3 Влияние формы турбулизирующих элементов на теплообмен...............33

1.4 Влияние внешних условий на эволюцию отрывного течения...............43

1.4.1 Влияние толщины динамического и теплового пограничного слоя......43

1.4.2 Влияние степени расширения и продольного градиента давления.......46

1.4.3 Влияние внешней турбулентности и дополнительной турбулизации потока перед отрывом...............................................................47

ГЛАВА 2. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТУРБУЛЕНТНЫХ ОТРЫВНЫХ ТЕЧЕНИЙ. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. ТЕСТОВЫЕ РАСЧЁТЫ...................................................................................51

2.1 Основные методы расчёта турбулентных течений..............................51

2.2 Модели турбулентности, реализованные в пакете прикладных программ АМ8У8-РШЕЖ..............................................................57

2.3. Вычислительные ресурсы и характер сходимости при использовании различных моделей..........................................................................62

2.4. Генерация расчётных сеток.........................................................63

2.5. Граничные условия....................................................................64

2.6 Тестовые расчёты турбулентных безотрывных и отрывных течений..........65

2.6.1. Течение в круглой трубе.............................................................65

2.6.2. Течение на пластине..................................................................68

2.6.3. Обтекание обратного уступа в кольцевом канале..............................69

2.6.4. Обтекание обратного уступа в круглой трубе..............................74

2.6.5. Обтекание одиночной диафрагмы и системы диафрагм в круглой трубе..........................................................................................80

ГЛАВА 3. ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕНА В ТРУБЕ С ДИАФРАГМАМИ РАЗЛИЧНОЙ КОНФИГУРАЦИИ........................83

3.1 Формы одиночных интенсификаторов теплообмена, схема расчётной области, методика расчёта, граничные условия.....................................85

3.2 Сравнительный анализ результатов для диафрагм с различной формой поперечного сечения. Газодинамика....................................................88

3.3 Сравнительный анализ результатов для диафрагм с различной формой поперечного сечения. Локальный теплообмен........................................98

3.4 Сравнительный анализ результатов для диафрагм с различной формой поперечного сечения. Интегральный теплообмен и сопротивление. Термогидравлическая характеристика................................................. 102

ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ ДИНАМИЧЕСКОЙ И ТЕПЛОВОЙ ПРЕДЫСТОРИИ НА ТУРБУЛЕНТНОЕ ОТРЫВНОЕ ТЕЧЕНИЕ В ТРУБЕ С ВНЕЗАПНЫМ РАСШИРЕНИЕМ......................................106

4.1 Схема расчётной области, методика расчёта..................................108

4.2 Влияние толщины динамического пограничного слоя на отрывное течение и тепломассообмен в трубе с внезапным расширением.............................109

4.3 Влияние толщины теплового пограничного слоя на характеристики тепломассообмена в трубе с внезапным расширением.............................118

4.3.1 Анализ результатов численного моделирования............................118

4.3.2 Сравнение с экспериментальными данными.................................123

ГЛАВА 5. ВЛИЯНИЕ СТЕПЕНИ РАСШИРЕНИЯ И ПРОДОЛЬНОГО ГРАДИЕНТА ДАВЛЕНИЯ НА ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ТЕПЛООБМЕН В КРУГЛОЙ ТРУБЕ С ВНЕЗАПНЫМ РАСШИРЕНИЕМ.........................................................................125

5.1 Влияние степени расширения на динамические характеристики и теплообмен в круглой трубе с внезапным расширением...........................127

5.1.1 Схема расчётной области, методика расчёта................................127

5.1.2 Влияние степени расширения трубы на динамические характеристики потока..........................................................................................129

5.1.3 Влияние степени расширения трубы на тепловые характеристики.....134

5.2 Влияние продольного градиента давления на структуру течения теплообмен в трубе с внезапным расширением......................................138

ГЛАВА 6. ТЕПЛООБМЕН В ТРУБЕ С ВНЕЗАПНЫМ РАСШИРЕНИЕМ ПРИ НАЛИЧИИ ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ИНТЕНСИФИКАТОРА......143

6.1 Схема расчётной области, методика расчёта..................................143

6.2 Влияние расположения дополнительного вихреобразующего элемента на отрыв, присоединение и дальнейшее развитие потока.............................145

6.3 Влияние размера дополнительного вихреобразующего элемента на отрыв, присоединение и дальнейшее развитие потока......................................149

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.........................................................................152

ЛИТЕРАТУРА...........................................................................154

СПИСОК ПРИНЯТЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ....................................... 168

ВВЕДЕНИЕ

Отрывные течения являются объектом пристального изучения вследствие их распространённости в природе и технике. Исследования структурных особенностей и характеристик обмена в областях рециркуляции, присоединения и дальнейшего развития течения являются весьма важными для авиакосмической техники, турбомашиностроения, электронной техники и для многих других технических приложений.

Отрывные течения относятся к числу недостаточно изученных. Отрыв потока жидкости или газа весьма важное и сложное явление, одно из многих характерных свойств вязкого течения. Основными особенностями отрывных течений являются значительные градиенты давления, искривление линий тока, высокий уровень турбулентных пульсаций скорости, в результате чего в отрывном течении наблюдается попеременное изменение направления скорости на противоположное, так называемое реверсирование потока. Отрыв пограничного слоя при обтекании различных препятствий и его присоединение приводят к возникновению специфической структуры течения, существенно влияющей на теплообмен и сопротивление.

Почти не изученным направлением исследований отрывных течений является вопрос влияния таких параметров, как толщина набегающего пограничного слоя, степень расширения каналов и труб, продольный градиент давления. Несмотря на то, что эти проблемы представляют неподдельный интерес и могут значительно расширить область знания об отрывных течениях, их систематическое исследование практически отсутствует в литературе. Особенно интересным, на сегодняшний день, является вопрос исследования методов управления отрывными течениями, как способа повышения теплоотдачи. В частности, наиболее приемлемых с практической точки зрения, пассивных методов управления, основанных на использовании дополнительных турбулизирующих элементов.

В настоящее время, экспериментальные исследования в данной области становятся всё более трудоемкими и материалозатратными, а в следствии этого и дорогостоящими. Все перечисленные выше проблемы, которые нуждаются в тщательном исследовании, представляют собой совокупность сложных многопараметрических задач. В этой связи главенствующую роль начинает приобретать численное моделирование. Но, несмотря на значительный прогресс в этой области за последнее десятилетие, пока не существует единой универсальной модели, дающей с приемлемой точностью результаты для широкого класса задач термогазодинамики. Поэтому, на сегодняшний день, на ряду с развитием и усовершенствованием численных моделей, актуальной является задача адаптации уже существующих к некоторому классу задач.

Настоящая работа построена таким образом, что последовательно рассматриваются различные виды отрывных течений, представляющих наибольший интерес для технических приложений. В работе уделено особое внимание вопросам, которые ранее не были систематически исследованы, а также некоторым проблемам, для которых совершенно отсутствует экспериментальный материал.

Цель настоящей работы заключается в изучении влияния различных факторов на структуру турбулентного отрывного течения и теплообмен в круглой трубе, таких как: форма одиночного турбулизатора, наличие динамической и тепловой предыстории, продольный градиент давления, наличие минитурбу-лизаторов перед отрывом.

Достижение этой цели предполагает решение следующих задач:

1. Адаптировать пакет прикладных программ АН8У8-РШЕНТ для решения класса задач, связанных с турбулентными отрывными течениями.

2. Выяснить влияние геометрии одиночного турбулизирующего элемента на динамику отрывного течения и теплообмен в круглой трубе.

3. Провести систематическое исследование влияния динамической и тепловой предыстории на отрыв, присоединение и дальнейшее развитие течения в трубе с внезапным расширением.

4. Определить влияние степени расширения трубы и продольного градиента давления на динамику течения и теплообмен в трубе с внезапным расширением.

5. Исследовать возможности дополнительной интенсификации теплообмена с малыми, на порядок меньшими, чем величина внезапного расширения, диафрагмами вблизи точки отрыва в трубе с внезапным расширением.

Актуальность работы

В настоящее время, задача тепло- и энергосбережения входит в перечень приоритетных направлений развития науки и технологий РФ. Внедрение в промышленность энергосберегающих технологий требует создания более эффективного энергетического оборудования, обладающего повышенной надежностью. Одним из важных аспектов является проблема пассивной интенсификации теплообмена с помощью организации отрыва потока и возможности управления процессом тепломассопереноса. Пассивные интенсификаторы теплообмена отличаются простотой изготовления и высокой надёжностью. Широкое их использование в теплоэнергетическом оборудовании - теплообменниках, ядерных реакторах, камерах сгорания, каналах охлаждения газотурбинных установок - требует глубокого понимания структуры течения и тепломассообмена при вариации геометрии обтекаемого препятствия и термогазодинамических параметров внешнего потока.

остается слабоизученным и противоречивым. Это объясняется многофакторностью и сложностью механизма турбулентного отрыва потока в ограниченном канале, связанного с искривлением линий тока, реверсированием потока, присутствием вибраций, значительного градиента давления, наличием высокого уровня турбулентных пульсаций и пульсаций давления. Итон, Джонстон (1981) выделяют ряд параметров, влияющих на отрыв и присоединение потока: 1 -состояние отрывающегося пограничного слоя; 2 - толщина пограничного перед отрывом слоя; 3 - величина турбулентности во внешнем невозмущённом потоке; 4 - продольный градиент давления; 5 - степень расширения канала. Несмотря на то, что проблема обозначена и сформулирована уже достаточно давно, до сих пор не проводилось систематических исследований влияния данных параметров на гидродинамические и тепловые характеристики отрывных потоков в трубах, что является на сегодняшний день актуальной и практически важной задачей.

Научная новизна работы

Исследована структура течения и теплообмен в трубе при наличии диафрагм различной конфигурации. Показано существенное различие в характере обтекания преград различной формы поперечного сечения, а так же в их тепло-гидравлической эффективности.

Впервые изучено влияние динамической и тепловой предыстории потока на структуру течения и теплообмен в трубе с внезапным расширением. Установлено, что увеличение толщины динамического пограничного слоя приводит к росту масштаба рециркуляционной области, и к снижению интенсивности теплообмена. При наличии тепловой предыстории теплообмен после внезапного расширения становится менее интенсивным.

Выполнено систематическое исследование влияния степени расширения и продольного градиента давления на динамические характеристики потока, и турбулентный теплообмен в трубе с внезапным расширением. Показано, что при увеличении степени расширения теплообмен становится менее интенсив-

ным, координаты точек присоединения и Нитах сдвигаются вниз по потоку. Показано, что рост продольного градиента давления приводит к увеличению размеров отрывной области и значительному снижению теплоотдачи.

Исследован процесс взаимодействия отрывных потоков различных масштабов в трубе с внезапным расширением. Установлено, что дополнительный турбулизирующий элемент приводит к кардинальным изменениям структуры рециркуляционной зоны, смещению точки присоединения потока и, соответственно, к перераспределению коэффициентов тепломассоотдачи. Приближение минитурбулизатора к точке отрыва приводит к увеличению размеров рециркуляционной области и повышению интенсивности теплообмена. Увеличение высоты минитурбулизатора аналогичным образом сказывается на характеристиках отрывного течения.

Практическая ценность работы

Результаты исследований представлены в виде корреляционных соотношений, которые могут быть использованы для инженерных расчётов, а также

для проведения предварительной оценки отрывных течений со сложными граничными условиями.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты численного исследования структуры течения и теплообмена при обтекании одиночных диафрагм различной конфигурации в трубе.

2. Влияние динамической и тепловой предыстории потока на турбулентное отрывное течение и теплообмен в цилиндрическом канале с внезапным расширением.

3. Результаты численного исследования влияния степени расширения и продольного градиента давления на теплообмен в круглом канале с внезапным расширением.

4. Анализ перспективы интенсификации теплообмена в круглой трубе с внезапным расширением при наличии дополнительного интенсификатора.

Апробация работы.

Основные результаты диссертации были представлены на 15-ти всероссийских и международных конференциях: IX, X, XI Всероссийских школах-конференциях молодых учёных «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (Россия, Новосибирск, 2006, 2008, 2010); XVI, XVII, XVIII, XIX Школах-семинарах молодых учёных и специалистов под руководством ак. А.И. Леонтьева (Россия, 2007, 2009, 2011, 2013) Всероссийская школа-семинар молодых учёных «Физика неравновесных процессов в энергетике и наноиндустрии». (Россия, Новосибирск, 2007); VI Минский Международный Форум по тепломассообмену. (Беларусь, Минск, 2008); VI Школа-семинар молодых учёных и специалистов под руководством академика РАН В.Е. Алемасова (Россия, Казань, 2008); 6th, 7th International Conferences on Computational Heat and Mass Transfer. (China, 2009; Turkey, 2011); XXII Юбилейный семинар с международным участием по струйным, отрывным и нестационарным течениям (Россия, Санкт-Петербург. 2010); 14-th Int. Heat Transfer Conf., Washington D.C., USA. 2010; Advances in Computational Heat Transfer, CHT-12 (Bath, England 1-6 July 2012).

Публикации.

Личный вклад автора заключается в анализе существующих теоретических, экспериментальных и ч