Особенности обтекания и теплоотдачи цилиндра, смещенного с оси циклонного потока

ОСОБЕННОСТИ ОБТЕКАНИЯ И ТЕПЛООТДАЧИ ЦИЛИНДРА, СМЕЩЕННОГО С ОСИ ЦИКЛОННОГО ПОТОКА

Ю.Л. ЛЕУХИН *, Э.Н. САБУРОВ *, И. А. УСАЧЕВ *, В. ГАРЕН **

Архангельский государственный технический университет Университет прикладных наук, г. Эмден

Приводятся и анализируются результаты экспериментального исследования физических особенностей гидродинамического и теплового взаимодействия циклонного потока с круглым цилиндром. Ось цилиндра смещена с аэродинамической оси потока. Показано изменение средних и местных коэффициентов теплоотдачи на характерных участках поверхности цилиндра.

Введение

Широкое применение циклонных нагревательных устройств в машиностроительной промышленности объясняется в первую очередь их универсальностью, благодаря которой можно термообрабатывать разные по форме и габаритам детали или заготовки по сложным температурным режимам [1]. В одних случаях это могут быть крупные части энергетического оборудования (роторы, валы турбин и др.), а в другом - группа (садка) заготовок относительно небольшого диаметра, расположенных осесимметрично в рабочем объеме. В циклонных нагревательных устройствах обеспечивается значительная интенсификация конвективного теплообмена к заготовкам за счет особой организации обтекания их греющим потоком.

Рассматриваемая задача представляет интерес с точки зрения дальнейшего изучения аэродинамики и конвективного теплообмена в сильно закрученном потоке циклонных нагревательных устройств, совершенствования методик их теплового и аэродинамического расчетов.

Методика исследования

Опыты выполнены на модели циклонного устройства, на стенде (рис.1) и по методике, подробное описание которых приведено в работе [2]. Циклонная камера стенда имела внутренний диаметр = 2Як = 179 мм и длину Ьк = 272 мм. Подвод воздуха в камеру осуществлялся тангенциально внутренней поверхности с двух диаметрально противоположных сторон через каналы с высотой йвх = 13 мм и длиной (размер по образующей) /вх = 40 мм. Безразмерная суммарная площадь входа потока /вх = 4/вх/лйк2 равнялась 4,13-10-2. Отвод воздуха из циклонной камеры производился через осесимметричное с рабочим объемом отверстие в верхнем торце с относительным диаметром йвых = йвых/ равным 0,4.

Цилиндры - паровые калориметры [3] имели длину 231,5 мм и диаметр й = 31 и 61,5 мм, что соответствовало параметру й = ШБк = 0,173 и 0,344. Торцы цилиндров отстояли от торцов камеры на расстоянии 23 мм. Величина относительного смещения е = е/Як цилиндра с относительным

диаметром й = 0,344 равнялась 0,034; 0,067; 0,101; 0,134; 0,190 (3, 6, 9,12 и 17 мм), а с й = 0,173 - 0,190 и 0,324 (17 и 29 мм).

© Ю.Л. Леухин, Э.Н. Сабуров, И.А Усачев, В. Гарен Проблемы энергетики, 2008, № 3-4

Рис. 1. Схема стенда: 1 - циклонная камера; 2 - входной канал; 3 - выходной торец; 4 -вытяжной зонт; 5 - паровой калориметр; 6 - цифровой термометр; 7 - трубка Пито-Прандтля; 8 - цифровой микроманометр; 9 - генератор тумана; 10 - воздуходувка; 11 - блок управления воздуходувки; 12 - волоконные световоды; 13 - оптический коммутатор; 14 - лазер; 15 -фотомультиплейер; 16 - компьютер; 17 - контроллер-счетчик; 18 - осциллограф; 19 - система перемещения зонда; 20 - оптический зонд; 21 - датчик теплового потока; 22 - термопара; 23 -милливольтметры; 24 - паровой котёл; 25 - электронагреватель; 26 - предохранительный

клапан; 27 - коллектор; 28 - дренаж

Распределения осредненных и пульсационных значений тангенциальной и осевой составляющих вектора скорости исследовались двухлучевым лазерным доплеровским анемометром (ЛДА) в среднем поперечном сечении циклонной камеры при г = 0,670 ( г = іЮк - безразмерная координата, совпадающая с осью камеры и отсчитываемая от ее глухого торца). Измерение местной плотности теплового потока по периметру калориметра осуществлялось градиентным датчиком теплового потока фирмы «Саріес“ (Франция) с размерами сторон 5x5 мм и толщиной 0,450 мм. Время реакции датчика составляло 150 мс, вольт-ваттная чувствительность - 0,136 мВ/(Вт/м2). На калориметре датчик закреплялся заподлицо с поверхностью в среднем сечении. Показания датчика снимались через 10° при вращении калориметра вокруг его оси. Температура поверхности теплоотдачи контролировалась с помощью хромель-алюмелевой термопары.

Опыты производились при значениях числа Рейнольдса Левх = (27,5...249,5) 103 (Левх = УвхОк/\вх, Квх и увх - средняя скорость воздуха и кинематический коэффициент вязкости во входном канале).

Результаты и обсуждение

Даже при сравнительно небольшом смещении цилиндра ( е = 0,034) с оси циклонной камеры (практически совпадающей в начальном положении с аэродинамической осью потока) происходит нарушение осевой равномерности его обтекания закрученным потоком. Изменение безразмерного

радиуса г^т = гч>т/Як, характеризующего положение интегральной скоростной © Проблемы энергетики, 2008, № 3-4

характеристики потока [3] - максимума тангенциальной составляющей полной скорости -Мущ = wфm/Vвх - характерной скорости циклонного потока, качественно напоминает синусоиду (рис. 2) с максимумом в точке ф = 0о (ф - центральный угол показан на рис. 3 и отсчитывается в направлении движения потока от радиуса, по которому смещается цилиндр), минимумом при ф = 180о и амплитудой примерно равной величине смещения цилиндра. Поток как бы концентрируется вокруг цилиндра и перемещается за ним.

Рис. 2. Изменение -шфп1 (а) и гфт (б) в зависимости от угла ф в поперечном сечении циклонной камеры при различных смещениях цилиндра с ее оси: 1 - е = 0,034; 2 - 0,067; 3 - 0,134; 4 - 0,190 при й = 0,344; 5 - е = 0,190; 6 - 0,324 при й = 0,173

При больших смещениях цилиндра ( е > 0,067) наблюдается нарушение устойчивости течения у его поверхности. При всех исследованных расположениях цилиндра максимальное в поперечном сечении значение wфm находится при ф = 0о. Минимальное гфт с увеличением е перемещается от ф = 180о в сторону меньших

углов. Смещенный с аэродинамической оси цилиндр и боковая поверхность рабочего объема циклонной камеры образуют по направлению движения потока криволинейный канал переменного сечения (типа конфузор - диффузор -конфузор и т.д.).

_ На рис. 3 показаны распределения: безразмерной тангенциальной скорости ( wч, = *уквх), линий тока, изотах тангенциальной и осевой ( = ^г/Квх) скоростей

при обтекании цилиндра й = 0,344 и е = 0,190 в зависимости от центрального угла ф. По мере перемещения потока в конфузорной части течения и приближения его к наиболее стесненному проходному сечению (ф = 0о) происходит увеличение уровня тангенциальной скорости, перестройка ее профиля. Максимум wф приближается к поверхности цилиндра и увеличивается по величине. Поток перемещается здесь под влиянием отрицательного градиента давления, способствующего его разгону. В диффузорной части поперечного сечения (ф > 0о) положительный градиент давления препятствует продвижению потока у поверхности цилиндра и приводит к его отрыву в окрестности точки 2.

180* 180*

о* о*

в) г)

Рис. 3. Распределения тангенциальной скорости

Практически во всей диффузорной зоне течения у поверхности цилиндра наблюдается попятное движение газа. В результате образуется значительная по размерам вихревая область, размеры которой возрастают с увеличением е. О размерах области (вихря) можно судить по нулевой линии тока, соединяющей точки 1 и 2. Граница разделения прямого и обратного течений в вихре (изотаха нулевого значения тангенциальной скорости) на рис. 3 в показана штриховой

линией и берет начало в области точки 1. Попятный поток, в свою очередь срывается с поверхности цилиндра около точки 3, положение которой характеризуется центральным углом фй, отсчитываемым в поперечном сечении камеры от линии смещения цилиндра, с вершиной на его оси. В точке 3 фй и 170°. Между точками 3 и 4 расположена область сравнительно небольшого обратного течения, по направлению совпадающего с основным циклонным. В результате вероятно возникновение небольшой вихревой циркуляционной зоны. У поверхности цилиндра от точки 4 поток перемещается в направлении точки 2. Особую роль, с точки зрения анализа обтекания цилиндра и теплоотдачи, играют две характерные точки его поверхности: передняя 1 (лобовая), расположенная в месте разделения набегающего на цилиндр потока при фй и 250°, практически определяющая начало конфузорной зоны течения, и задняя (кормовая) 2 при фй и 35° - точка стока.

о* о'

в) г)

Рис. 4. Распределения wф (а, б) и линии тока (в, г) при обтекании цилиндра й = 0,173

Изотахи осевой скорости (рис. 3, г) показывают, что в вихре наблюдается интенсивный сток газа в направлении выходного отверстия. Осевые скорости в этой области соизмеримы с тангенциальными. В общем, смещение цилиндра с аэродинамической оси циклонного потока приводит к появлению значительных вторичных (осевых) течений.

На рис. 4 показаны распределения в рабочем объеме камеры

тангенциальной скорости и линии тока, а на рис. 5 - изотахи Иф и для цилиндра с диаметром й = 0,173 при е = 0,190 и 0,324. Характер обтекания

цилиндров й = 0,173 и 0,344 (при е = 0,190) качественно одинаков. Несмотря на значительные изменения w(fm, в поперечном сечении камеры г^т меняется несущественно (рис. 2). При данном смещении цилиндр располагается в области слабоинтенсивного индуцированного вращения потока. Лобовая точка находится при фй и 260о, а точки 2 и 3 соответственно при 30о и 180о.

180* 1*0*

о* о'

в) г)

Рис. 5. Изотахи wф

При большем смещении ( е = 0,324) в конфузорной части течения при приближении потока к наиболее зажатому сечению (при ф = 0о) наблюдается не только возрастание wфm, но и перестроение профиля wф - происходит резкое уменьшение Гфт. Вихрь имеет более значительные размеры и занимает свободную от цилиндра приосевую область рабочего объема. Уровень тангенциальных скоростей в нем становится соизмеримым по величине с их значениями во внешнем потоке, а осевых скоростей, наоборот, существенно ниже, чем для цилиндра й = 0,344. Как и для й = 0,344, при обоих исследованных смещениях, наиболее высокий уровень осевых скоростей в поперечном сечении наблюдается в вихре. При наибольшем е характер обтекания цилиндра потоком начинает качественно напоминать его поперечное обтекание плоским потоком [4]. Лобовая точка 1 перемещается к фйи 270о, а точка 3 - в сторону фй и 170о. Положение точки отрыва потока с поверхности цилиндра 2 при исследованных смещениях практически не зависит от е (фй и 30о). За цилиндром между точками отрыва потока 2 и 3 происходит формирование двух вращающихся в противоположные стороны вихревых структур, разделенных линией 4-5 (рис. 4). Следует заметить,

что при смещении цилиндра й = 0,173 изотахи wф и wz за зоной влияния цилиндра более равномерные и осесимметричные (рис. 5), чем при й = 0,344.

При смещении цилиндра с оси циклонного потока наблюдается нарушение осевой симметрии распределений не только осредненных параметров потока, но и

интенсивности пульсаций тангенциальной еф='^^ф/V и осевой £z = ^w'^/V (V-

осредненное значение полной скорости в данной точке) составляющих скорости

(рис. 6). Распределения £ ф и е ; определяются совокупным влиянием на

турбулентность потока массовых сил, пограничных слоев, их срывами с поверхности цилиндра, особенностями формирования вихря и т.д. Как следует из

180* 180*

0* 0*

Рис. 6. Распределения Бф (а) и Б;; (б) в поперечном сечении циклонной камеры

данных, представленных на рис. 6 для й = 0,344 при е = 0, 190, происходит увеличение Бф и б; не только около цилиндра, но также и на периферии потока. Изменяется характер распределений Бф, б; и вдоль линий тока (траекторий) циклонного потока. В конфузорной части течения радиус, соответствующий минимальным значениям интенсивности пульсаций скорости (4...5,5%) при ф = 0о, практически совпадает с гфт. В области г > гфт при увеличении радиуса интенсивность пульсаций возрастает до 10.20%. В диффузорной части поперечного сечения минимальные значения Бф и б; перемещаются к боковой поверхности циклонной камеры на безразмерный радиус г = г/Як, равный примерно 0,9, и увеличиваются до 6.7% при ф = 180о. Наиболее высокие значения Бф и б; (до 200% и более) достигаются в центре вихря, на изотахе нулевого значения тангенциальной скорости, и в начале его образования у поверхности цилиндра за лобовой точкой 1 (при фй = 200°...220°), а также за точками отрыва потока 2 и 3.

О-

в) Г)

Рис. 7. Распределения Бф

В циклонном потоке, обтекающем цилиндр й = 0,173 при е, равных 0,190 и 0,324, интенсивности пульсаций скорости, как и для цилиндра й = 0,344, не превышают 10%, причем изолинии 10% представляют собой практически концентрические окружности (рис. 7) с центром на оси циклонной камеры. При е = 0,190 и г > гфт распределения бф и б; по радиусу подобны и практически не зависят от угла ф. Их минимальные значения наблюдаются на радиусе несколько большем, чем Тфт. Так, наименьшие Бф, равные 4,5.5,5%, расположены на г = 0,5.0,6, а б; = 5,5.6% - на г = 0,6.0,7. Следует

отметить, что в циклонном потоке при всех смещениях рассматриваемых цилиндров имеется небольшая анизотропия распределений Бф и б;, причем б; на 0,5.1,5% больше, чем Бф. Распределения Бф и б; около поверхности цилиндра и в вихре качественно тождественны при всех рассмотренных й и е (рис. 6). При е =

0,324 наиболее высокая интенсивность пульсаций составляющих скорости (свыше 200%) наблюдается в кормовой области течения за точками отрыва 2 и 3, где происходит образование пары противоположно вращающихся вихрей (рис. 7 б, г). Из-за большей стесненности циклонного потока Бф и б; изменяются не только от г, но и от ф. В конфузорной части течения минимальные значения Бф и б; расположены ближе к поверхности цилиндра и равняются 6.7%, а в диффузорной части они смещаются к боковой поверхности циклонной камеры на г« 0,8.0,9.

На рис. 8 показаны распределения по периметру цилиндра местного коэффициента теплоотдачи аф, отнесенного к среднему его значению а.

Рис. 8. Распределения а/а по периметру цилиндра при различных его диаметрах и смещениях с оси циклонной камеры: 1 - е = 0,034; 2 - 0,101; 3 - 0,134; 4 - 0,190 при й = 0,344; 5 - е = 0,190;

6 - 0,324 при й = 0,173

При безотрывном обтекании цилиндра й = 0,344 ( е = 0,034),

неравномерность теплоотдачи по его периметру не превышает 17 %. Максимальные значения коэффициента теплоотдачи наблюдаются при фй » 120° и 270°, а минимальные при фй » 60° и 190°. Такой характер изменения теплоотдачи можно объяснить различной степенью влияния центробежных сил на формирование пограничного слоя на поверхности цилиндра при увеличении скорости потока в конфузорной части течения и его торможении в диффузорной.

С увеличением смещения цилиндра й = 0,344 (рис. 8, а) до начала отрывного его обтекания ( е = 0,101 и 0,134), максимальное локальное значение аф наблюдается в лобовой критической точке 1 при фй » 250° и превышает среднее значение а на 33 %. Однако при значительных е (0,190 для й = 0,344 и 0,190 и

0,324 для й = 0,173) положения максимумов коэффициента теплоотдачи и лобовой точки не совпадают, что, вероятно, обусловлено высокой интенсивностью турбулентности потока, натекающего на цилиндр, и неравномерным ее распределением по периметру и радиусу циклонного устройства.

В конфузорной части поперечного сечения по мере продвижения потока от лобовой точки 1, а также в его диффузорной части до точки отрыва 2 (при угле фй

» 30 - 50°), с увеличением толщины теплового пограничного слоя, происходит снижение коэффициента теплоотдачи. Причем в окрестности точки 2 для обоих цилиндров наблюдаются наименьшие по периметру значения аф, которые могут достигать 62.65% от его средней величины. Аналогичные снижения аф происходят в вихре до его отрыва в точке 3. Для цилиндра й = 0,173, при рассмотренных его смещениях, в точках 3 (фй » 170 - 180°) наблюдаются еще одни минимумы значений коэффициентов теплоотдачи.

В кормовой области течения возможно образование двух небольших по величине максимумов аф: одного за точкой отрыва циклонного потока 2 при фй » 60 - 70°, а второго - в окрестности точки 4 при фй » 120 - 140°. Распределение коэффициентов теплоотдачи в этой части цилиндра, как и в вихре, в значительной степени определяется совокупным влиянием таких факторов, как присоединение вихря в точке 4 с последующим развитием пограничного слоя, высокой интенсивностью турбулентных пульсаций, образованием вторичных течений и осевым стоком газа в направлении выходного отверстия.

Следует отметить, что влияние турбулентности потока и формы проходного канала поперечного сечения (являющейся в определенной степени аналогом параметра загромождения обычного плоскопараллельного потока) на теплоотдачу цилиндра, как в лобовой точке, так и в других его частях, не может рассматриваться отдельно, так как в исследуемой задаче они сами зависят от величины диаметра обтекаемого цилиндра и его смещения.

В качестве характерной скорости при анализе и обобщении опытных данных по теплоотдаче в дальнейшем использовано значение максимальной тангенциальной скорости wфm в наиболее стесненном поперечном сечении камеры (при ф = 0о), которое характеризует уровень вращательного движения в рабочем объеме циклонных камер и может быть определено по методике их аэродинамического расчета [3].

Обобщение опытных данных по теплоотдаче представлено на рис. 9 (использованы следующие обозначения: ^ = ай/Х, №ф = а<рй/Х - числа Нуссельта, Кефт = wфmй/v - число Рейнольдса, Х и V - соответственно коэффициент теплопроводности и кинематический коэффициент вязкости при средней температуре потока). Известно, что турбулентность натекающего потока определяет не только уровень, но и различную интенсивность зависимости коэффициента теплоотдачи от скорости течения, в том числе при теплоотдаче цилиндра в плоскопараллельном поперечном потоке [4]. В рассматриваемом случае для лобовой точки при обтекании цилиндра й = 0,344 рост турбулентности с увеличением е приводит к повышению показателя степени при числе Рейнольдса от 0,45 до 0,54, а для й = 0,173 при исследованных значениях е - с 0,44 до 0,46. Изменение коэффициента теплоотдачи в лобовой точке обоих цилиндров (рис. 9, линия 1) соответствует уравнению

]\и ф = 0,95 Ие фт.

В исследованном диапазоне числа Яефт = (3,5...125,4)*103 коэффициент теплоотдачи в лобовой точке выше среднего по периметру цилиндра на 23 - 65%, при этом наибольшее различие наблюдается при минимальных Яефт.

Рис. 9. Зависимости Миф = /

Особенности формирования потока и распределения интенсивности турбулентных пульсаций скорости у различных участков поверхности цилиндра определяют различие зависимости коэффициента теплоотдачи от числа Рейнольдса. Так для лобовой части цилиндра й = 0,344, омываемой циклонным потоком между точками 1 и 2

]Чи = 0,44Ке£т4.

Число ^ в уравнении (1) рассчитывается по среднему коэффициенту теплоотдачи на участке между точками 1 и 2.

Для поверхности участка, между точками 1 и 3, омываемой вихрем с высокой турбулентностью потока, показатель степени при числе Рейнольдса выше. Так, для цилиндра й = 0,344 с ростом е он увеличивается от 0,57 до 0,72, а для й = 0,173 - от 0,64 до 0,75. Коэффициент теплоотдачи здесь может быть определен по уравнению

№ = 0,115ReJm7.

Сопоставление уравнений (1) и (2) показывает, что при наименьших исследованных значениях числа Яефт средняя теплоотдача лобовой части поверхности цилиндра, омываемой циклонным потоком, примерно на 25% выше, чем поверхности, обтекаемой вихрем, а при наибольших Яефт, наоборот, теплоотдача в вихре выше на 20%.

Уровень теплоотдачи кормовой части поверхности цилиндра между точками 2 и 3 на 9 - 37% ниже среднего по периметру и определяется уравнением

]\и = 0,107ReJm6.

Показатель степени при Яефт для этого участка поверхности также © Проблемы энергетики, 2008, № 3-4

увеличивается со смещением цилиндра d = 0,344 от 0,61 до 0,7, а d = 0,173 - от 0,57 до 0,65.

Анализ зависимости среднего по периметру коэффициента теплоотдачи от числа Рейнольдса позволяет отметить, что для его расчета с погрешностью, не превышающей для большинства опытных данных ± 10%, может быть использовано ранее предложенное авторами [5] уравнение

Nu = 0,25Re^ [1 - exp (-me ],

где m = 7,35 + 23,1d .

Выводы

1. Выявлены особенности и закономерности обтекания цилиндра, смещенного с аэродинамической оси циклонного потока.

2. Полученные экспериментальные данные по распределению местных коэффициентов теплоотдачи по периметру цилиндра хорошо согласуются с установленными в работе особенностями его обтекания.

3. Уравнения, предложенные для вычисления коэффициента теплоотдачи на характерных участках поверхности цилиндра, могут быть использованы в расчетах циклонных нагревательных устройств.

Summary

Results of an experimental research of physical features of hydrodynamical and thermal interaction of a cyclonic stream with the round cylinder are resulted and analyzed. The axis of the cylinder is displaced from an aerodynamic axis of a stream. Change of average and local factors heat transfer on characteristic sites of a surface of the cylinder is shown.

Литература

1. Пуговкин А.У. Рециркуляционные пламенные печи в

машиностроении - Л.: Машиностроение. - 1987. - 158 с.

2. Леухин Ю.Л. Влияние числа Рейнольдса на осредненные и

турбулентные характеристики закрученного потока в кольцевом канале / Ю.Л. Леухин, Э.Н. Сабуров, В. Гарен // Известия вузов. Проблемы энергетики. - 2007. -№3-4. - С. 3-12.

3. Сабуров Э.Н. Циклонные нагревательные устройства с

интенсифицированным конвективным теплообменом. - Архангельск: Сев.-зап. кн. изд. - 1995. - 341 с.

4. Жукаускас А.А. Теплоотдача цилиндра в поперечном потоке жидкости / А.А. Жукаускас, И.И. Жюгжда. - Вильнюс: Мокслас, 1979. - 240 с.

5. Сабуров Э.Н. Исследование теплоотдачи цилиндра в

стабилизированном закрученном потоке с параллельной ему аэродинамической осью / Э.Н. Сабуров, Ю.Л. Леухин // Энергетика и транспорт (Изв. акад. наук СССР). - 1979. - №2. - С.162-165.

Поступила 10.10.2007