Структура потока в парных лунках с острой кромкой в зависимости от расстояния от входа до лунок

УДК 536.24

СТРУКТУРА ПОТОКА В ПАРНЫХ ЛУНКАХ С ОСТРОЙ КРОМКОЙ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ РАССТОЯНИЯ ОТ ВХОДА ДО

ЛУНОК

К.Х. ГИЛЬФАНОВ, И.Ф. ГАТАУЛЛИН, Д.Р. МАХМУТОВ, И.И. МИНГАТИН Казанский государственный энергетический университет

Поверхностные интенсификаторы теплообмена в виде полусферических (сегментных) выемок широко используются в теплообменном оборудовании. Интерес к такому типу интенсификаторов возрос после появления сообщений о превосходстве роста теплоотдачи относительно повышения гидравлического сопротивления в некотором диапазоне скоростей. Они позволяют значительно повысить эффективность теплообменников [1,2].

Рассмотрен режим столбообразного вихря в углублении. По результатам экспериментов определены структура потока и режимы обтекания в парных углублениях, выполненных в виде сферических сегментов, при различной длине отступа от края экспериментальной поверхности.

Ключевые слова: парная лунка, интенсификатор, сегментная выемка.

Введение

При обтекании поверхности с углублением наблюдаются диффузорно-конфузорный режим течения, подковообразный или столбообразный вихрь. Подробное описание режимов течения изложены в работах Халатова А. А. [3].

Целью настоящей работы является определение типа вихревой структуры, возникающей в полусферическом углублении на плоской теплообменной поверхности (в дальнейшем - каверна), и изучение влияния расстояния от входа до места размещения парной лунки на структуру потока в кавернах с острой кромкой.

Опытная установка

Экспериментальная установка представляет собой аэродинамическую трубу разомкнутого типа. Рабочим участком служит проточная часть прямоугольного сечения 32x120 мм, в которой установлена модель теплообменной поверхности с полусферическими углублениями диаметром 38 мм (рис. 1). Для обеспечения равномерного поля скоростей вход в рабочий участок спрофилирован по Витошинскому. Опытная установка обеспечивает ступенчатое изменение скорости потока в пределах 10-70 м/с при комнатной температуре 20°С и числа Рейнольдса по условному диаметру рабочего участка (10^280>103. Задание расхода осуществляется количеством включенных газодувок (их всего пять) и заслонкой. Для визуализации потока применялась манная крупа, пшено и микробисер (диаметр частиц составляет 0,6-0,8мм, материал - пластмасса ПВХ). Для съемки использованы видеокамера с быстродействием 50 кадров в секунду и обтюратор с частотой пульсаций света 2250 Гц.

Опыты проведены в диапазоне чисел Рейнольдса Яе=(50^150)-10 по диаметру канала с отступом от входа 0; 45; и 70 мм в режиме существования столбообразного вихря. Границей режимов подковообразного и столбообразного вихрей является гипербола вида [3]

Ш = 3200/Яей + 0,0536,

расположенная в диапазоне 7000 < Яе < 70000; 0,5 > Ь^ > 0,1.

© КХ. Гильфанов, И. Ф. Гатауллин, Д.Р. Махмутов, И.И. Мингатин Проблемы энергетики, 2013, № 1-2

Здесь Н/сС - отношение глубины лунки (каверны) к диаметру; Яен - число Рейольдса, рассчитано относительно глубины лунки.

Погрешность измерения скорости (определялась из ошибки измерения расстояния и времени) составляет около 10%.

32 мм

4 У

а

Рис.1. Экспериментальный участок: а - отступ от края экспериментальной поверхности

Результаты исследований

При отступе 0 мм над каверной образуется достаточно мощный противоток, направленный навстречу основному течению, способный деформировать пограничный слой. Увеличение расстояния расположения каверны от входа уменьшает энергию столбообразного вихря, который поглощается основным потоком. Дальнейший отступ приводит к уменьшению мощности вихря из-за повышения толщины пограничного слоя основного потока.

Наблюдается рост скорости с повышением числа Рейнольдса. Некоторые другие рассчитанные параметры представлены в таблице.

Таблица

Отступ, мм Кес Кен У, т/8 УС, т/8 Г, н Н/сС БЬ

0 100000 25000 21,63 0,9 7,5 0,5 0,1318

150000 37500 32,77 1,3 10,9 0,5 0,1264

45 100000 25000 21,63 0,45 3,77 0,5 0,0662

135000 33750 29,31 1,25 9,43 0,5 0,1222

150000 87500 32,77 1,35 11,31 0,5 0,1311

70 85000 21250 18,54 1,01 8,45 0,5 0,1732

135000 33750 29,31 1,02 8,52 0,5 0,1104

150000 37500 32,77 1,13 9,43 0,5 0,1093

150000 37500 32,77 1,17 9,84 0,5 0,1141

Яес - рассчитан относительно эквивалентного диаметра канала; Яен - рассчитан относительно глубины лунки; V - скорость потока в канале; Ус1 - скорость завихрения в лунке; / - частота вращения вихря; НМ - отношение глубины лунки к диаметру; БЬ - число Струхаля.

Поскольку режим существования столбообразного вихря характеризуется неустойчивостью положения, обработка данных проводилась также в виде зависимости числа Струхаля - подобия нестационарных течений, характеризующего постоянство протекания процессов во времени от числа Рейнольдса (рис.2). Она позволила выявить незначительное отклонение данного параметра от обычных потоков; как известно, в диапазоне 200<Яе<200000 действует эмпирический закон постоянства числа Струхаля: 8Ь«0,2^0,3, наши данные составили БЬ = 0,318.

БЬ = &//¥,

где/- характерная частота процесса; Б - характерный линейный размер течения; V-характерная (линейная) скорость потока. В качестве линейного размера выбран диаметр лунки, частота вращения вихря определялась из видеограмм.

В таблице приведена зависимость коэффициентов Струхаля БЬ от числа Рейнольдса Яе^ относительно диаметра каверны.

_5 -Граница режимов и ВыступОмм. д Выступ 45 мм о Выступ 70 мм

0,5 0.45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15

0.1

-

\

\

\

столбооб ра з н о го

ихря

Ре?» СИМ с ущ ее ТВ о ВЕ 31- IV я У

подковообразного вихря

Ие

1ПОО 1 Г] ПОП 1 попоо 1 попооп

Рис. 2. Граница режимов течения между подковообразным и столбообразным вихрями [4].

Экспериментальные точки:  - отступ 0 мм; А - отступ 45 мм; о- отступ 70 мм

Полученная в результате опыта (при отступе >45 мм) визуализация потока подтверждает результаты в работе Халатова А.А. (рис. 3) [4]. Результаты опытов показывают, что на установке получен режим стабильного существования столбообразного вихря. Представляется, что положение точек позволяет исследовать закономерности гидромеханики и теплообмена в кавернах в режиме столбообразного вихря. Вихрь находится под углом к набегающему потоку и имеет эпицентр на передней части выемки. Выброс массы из вихря производится в задней части выемки по потоку. Вид сверху на данную вихревую структуру показывает, что он находится под углом около 65-75° к набегающему потоку. Данную вихревую структуру удалось наблюдать на мелкой лунке в области ламинарно-турбулентного перехода [4].

Интерпретация на рис. 3 показывает невысокую степень вязкости по сравнению с данными Халатова А. А. [5].

Зависимость БЬ = / (Яей) за сферическими углубленями второго ряда показана на рис. 3. Так же, как и для одиночного ряда, она представляет собой кривую с максимумом, причем максимальное значение числа Струхаля достигается примерно при том же значении числа Рейнольдса. Пульсации за углублениями второго ряда возникают только при Яей>4200; во всем диапазоне чисел Рейнольдса, но особенно при Яей<12000, эти пульсации намного меньше пульсаций одиночного ряда. Таким образом, вихри, генерируемые первым рядом сферических углублений, «подавляют» флуктуации второго ряда более значительно, чем в случае цилиндрических углублений [6]. Анализ рис. 3 показывает, что опыты авторов лежат в области существования столбообразного вихря, обладающего линейными энергетическими характеристиками.

В опыте авторов, при отступе равном 0 мм, также наблюдаем, как образуется вихрь, но его направление противоположно. Вихрь направлен навстречу основному потоку. Это обусловлено изменением пограничного слоя вследствие влияния на него геометрических параметров входа в экспериментальный участок. Влияние расположения лунок от входа в канал на формирование режима столбообразного вихря не обнаружено.

Sh

Рис. 3. Сравнение результатов:  - данные, полученные Халатовым А.А.[5], объемные флуктуации потока за одиночным (1) и двойным (2) рядом сферических углублений; экспериментальные точки авторов:  - отступ 0 мм, А - отступ 45 мм, о - отступ 70 мм

Заключение

1. Выявлено влияние основных режимных и геометрических параметров на картину течения в сферических углублениях. Определено уменьшение мощности столбообразного вихря при увеличении расстояния места расположения каверны от входа.

2. Установлено незначительное отклонение числа Струхаля при обтекании каверн, которое составило Sh = 0,318.

Summary

Surfaceheat exchange intensifiers in a hemispherical (segmental) seizure are widely used in heat exchange equipment. Interest in this type of intensifiers rose after the reports of the superiority of growth to enhance heat flow resistance in a range of speeds. They can significantly improve the efficiency of heat exchangers.

We consider the regime of columnar vortex in the groove. According to the results of experiments determined the structure of the flow and flow regimes in paired depressions made in the form of spherical segments with different lengths from the edge of the indentation of the experimental surface.

Keywords: steam hole, Intensifier, segmental pit.

Литература

1. Borisov I., Khalatov A., Kobzar S., Glezer B. Comparison of thermal hydraulic characteristics for two types of dimpled surfaces. ASME Paper № GT2004-54204, 2004.

2. Шанин Ю. И., Шанин О. И. Интенсификация теплоотдачи нанесением сферических лунок на стенки каналов // Конвективный тепломасообмен. Материалы Минского международного форума ММФ-2004. Минск: ИТМО им. А.В. Лыкова АНБ, 2004.

3. Коваленко Г.В., Халатов А.А. Границы режимов течения в углублениях на плоской поверхности, имеющих форму сферических сегментов // Прикладна пдромехашка. 2008. Том 10, № 1. С. 23 - 32.

4. Халатов А.А. Режимы течения в одиночном углублении, имеющем форму сферического сегмента. MIF 2008, Minsk, May 19-23, 2008.

5. Халатов А.А. Нестационарные явления в потоке около плоской поверхности с «мелкими» сферическими и цилиндрическими углублениями // Материалы Второй Российской конференции «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках». Москва, 2005.

6. Халатов А.А. Исследования ИТТФ НАН Украины в области теплообмена и гидродинамики поверхностно-вихревых систем // Третья международная конференция «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках». Москва, 21-23 октября 2008.

Поступила в редакцию 20 октября 2012 г

Гильфанов Камиль Хабибович - д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Автоматизация технологических процессов и производств» (АТПП) Казанского государственного энергетического университета. Тел.: (843) 519-42-62. E-mail: gilfanov@kgeu.ru.

Гатауллин Ильдар Фаритович - аспирант кафедры «Автоматизация технологических процессов и производств», (АТПП) Казанского государственного энергетического университета. Тел.: 8 (903) 0502607. E-mail: namirun@gmail.com.

Махмутов Джалил Рашитович - аспирант кафедры «Автоматизация технологических процессов и производств», (АТПП) Казанского государственного энергетического университета. Тел.: 8 (927) 4126954.E-mail: JMRR@mail.ru.

Мингатин Ильнар Искандарович - аспирант кафедры «Автоматизация технологических процессов и производств», (АТПП) Казанского государственного энергетического университета. E-mail: i-mi@yandex.ru.