Теплообмен и гидродинамика в коротком криволинейном канале с полусферическими выступами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева

На правах рукописи

Автореферат

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Теплообмен и гидродинамика в коротком криволинейном канале с полусферическими выступами

Специальность: 01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника

Аммар Абдулбасет Омран

Казань - 2006

Работа выполнена на кафедре газотурбинных и паротурбинных установок и двигателей Казанского государственного технического университета им. А.Н.Туполева

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Щукин Андрей Викторович

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор Тарасевич Станислав Эдуардович

кандидат технических наук Усенков Роман Анатольевич

Ведущая организация: - ОАО КПП “Авиамотор”, г. Казань

Защита состоится 2007г. на заседании диссертационного совета Д 212.079.02 при Казанском государственном техническом университете им. А.Н.Туполева по адресу: 420111, г.Казань, ул. К.Маркса, 10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КГТУ им. А.Н. Туполева.

Автореферат разослан 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент А.Г. Каримова

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Использование энергосберегающих технологий в энергомашиностроении, создание эффективных систем охлаждения для высокотемпературных ГТД и ГТУ, разработка компактных и экономичных теплообменных устройств требуют снижения потерь энергии на прокачку теплоносителей. Пристенная интенсификация теплообмена является одним из эффективных способов уменьшения этих потерь. Такой способ интенсификации теплообмена часто становится единственным при лимитированном перепаде давления охладителя. Его использование позволяет до минимума уменьшить гидродинамические потери при обеспечении требуемой интенсивности конвективного теплообмена.

Пристенные интенсификаторы теплообмена имеют общую особенность: они разрушают образовавшийся на теплообменной поверхности пограничный слой за счет генерации отрывных и присоединяющихся течений. При этом течение турбулизируется лишь в пристенном слое - именно в той области, где имеет место градиент температуры.

Такие пристенные интенсификаторы теплообмена, как сферические выступы и выемки, поперечные дискретно расположенные выступы технологичны и достаточно хорошо освоены в промышленности. Они могут быть изготовлены холодным формованием, литьем и т.д. Если в охлаждаемых турбинных лопатках размеры единичных интенсификаторов такого типа не превышают нескольких миллиметров, то в мощных промышленных теплообменниках они могут быть на порядок крупнее.

Процессы интенсификации теплообмена могут реализовываться как в узких, так и в широких каналах. При этом кроме самих интенсификаторов теплообмена, на течение теплоносителя могут воздействовать различные факторы: внешняя турбулентность, продольный градиент давления и др. Важным воздействующим фактором являются центробежные массовые силы, возникающие в криволинейном течении.

Известно, что воздействие на поток поля центробежных массовых сил приводит к изменению гидродинамической картины течения и к изменению конвективного теплообмена около стенки. Например, около вогнутой поверхности имеет место активное воздействие центробежных массовых сил, интенсифицирующее теплоотдачу. Около выпуклой поверхности наблюдается консервативное их воздействие, снижающее уровень конвективного теплообмена.

До настоящего времени исследование воздействия продольной кривизны вогнутой и выпуклой поверхностей на теплоотдачу при вынужденном движении воздуха проводилось лишь для сферических выемок и поверхностей между поперечными полуцилиндрическими выступами. Однако эти результаты исследований не могут быть перенесены на сферические выступы вследствие неодинаковой гидродинамической картины их обтекания. В связи с этим тема диссертационной работы, посвященной исследованию теплообмена и гидродинамики в коротком криволинейном канале с полусферическими выступами, представляется актуальной.

Цель работы состоит в разработке рекомендаций по расчету интенсификации теплообмена в коротком криволинейном канале с полусферическими выступами.

Задачи исследования:

1. Выполнить сравнительное исследование гидравлического сопротивления короткого прямого и криволинейного каналов различной высоты с полусферическими выступами.

2. Провести сравнительное исследование средней теплоотдачи на выступах, установленных на вогнутой или на выпуклой стенках криволинейного канала различной высоты и сопоставить полученные данные с прямым каналом.

3. Исследовать поля скорости в канале с выступами и коэффициент давления на выступах, установленных на вогнутой, выпуклой стенке криволинейного канала и в прямом канале.

4. На основе проведенных исследований разработать рекомендации по расчету интенсификации теплообмена в коротком криволинейном канале с полусферическими выступами.

Научная новизна.

1. Получены опытные данные по коэффициенту гидравлического сопротивления короткого криволинейного канала с выступами для различных значений его относительной высоты.

2. Установлен вклад продольной кривизны вогнутой и выпуклой поверхностей канала в среднюю теплоотдачу на поверхности полусферических выступов для различных значений относительной высоты канала.

3. Экспериментально определено распределение коэффициента давления C_p по поверхности полусферического выступа, установленного на выпуклой или вогнутой поверхности криволинейного канала, которые сопоставлены с данными в прямом канале.

4. Сформулированы рекомендации по расчету интенсификации теплообмена в коротком криволинейном канале с полусферическими выступами, установленными на его вогнутой или выпуклой поверхности.

Автор защищает:

1. Результаты опытного исследования гидродинамических параметров в коротком криволинейном канале с полусферическими выступами.

2. Опытные данные по средней теплоотдаче около полусферических выступов, установленных в матрице выступов на вогнутой или выпуклой поверхности короткого криволинейного канала.

3. Рекомендации по расчету интенсификации теплообмена в коротких криволинейных каналах с полусферическими выступами.

Практическая значимость. Выработанные на основе опытного исследования рекомендации по расчету теплообменных каналов получены в реальном диапазоне изменения геометрических и режимных параметров: относительная высота канала H/d = 0,86…1,43; соотношение высот канала и выступа H/h = 1,72…2,86; числа Рейнольдса Re_D = 3,2·10⁴ … 9,6·10⁴; относительная кривизна поверхности д^**/R = (1…8,7) ·10^-3. Они позволяют рассчитать и спроектировать формованные полусферическими выступами каналы теплообменников и систем охлаждения высокотемпературных ГТД и ГТУ.

Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечивается использованием апробированных методов и аттестованных средств измерения параметров, расчетом погрешности измерений, удовлетворительным согласованием данных, полученных в стандартных условиях, с общеизвестными каноническими данными других авторов.

Личный вклад автора. Соискатель лично выполнил основную программу экспериментов, обработку и анализ полученных опытных данных.

Апробация работы. Основные результаты диссертации доложены и получили одобрение на IV Российской национальной конференции по теплообмену. г.Москва, МЭИ, 2006г.; на IV международной конференции “Проблемы промышленной теплотехники”. Киев, Украина, 2005 г.; на IV,Y Школах-семинарах молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН В.Е.Алемасова, г.Казань, 2004, 2006г.г.; на XV - XY Всероссийских межвузовских научно-технических конференциях КВАКУ “Внутрикамерные процессы в энергетических установках, акустика, диагностика, экология” г.Казань, 2004, 2005, 2006 г.г.; на XIV Туполевских чтениях, г.Казань, 2006 г.; на XIII международной научно-технической конференции “Машиностроение и техносфера XXI века”, г.Севастополь, Украина, 2006 г.; на научных семинарах кафедры “Газотурбинные, паротурбинные установки и двигатели”, г.Казань, 2004 - 2006г.г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ. Одна работа опубликована в рекомендуемом ВАК журнале.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов и списка использованной литературы. Работа изложена на ___ страницах машинописного текста, содержит ___ рисунков, ___ таблиц. Список использованной литературы включает ___ наименований.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы исследования, отмечены ее научная новизна и практическая значимость.

Автор благодарит к.т.н., доцента кафедры “Газотурбинные, паротурбинные установки и двигатели” А.В.Ильинкова за научные консультации при выполнении данной работы.

В первой главе диссертации выполнен обзор научно-технической литературы по результатам исследований пристенной интенсификации теплообмена (монографии В.М. Бузника; Ю.Ф. Гортышова, В.В. Олимпиева.; С.А. Исаева; Э.К. Калинина, Г.А. Дрейцера, С.А. Ярхо; В.К. Мигая; А.В. Щукина, А.П. Козлова, Р.С. Агачева, Я.П. Чудновского и др.; публикации по результатам исследований других авторов). Проанализированы также литературные источники по исследованию криволинейных течений (монографии Б.П. Устименко; А.А. Халатова, А.А. Авраменко, И.В. Шевчука; В.К. Щукина и др.).

Из известных публикаций следует, что в литературе имеется значительное количество результатов исследований по сферическим выемкам и поперечным (кольцевым) выступам. Данные же по сферическим выступам ограничены, и они относятся только к прямым каналам (Ю.Ф. Гортышов, А.К. Анисин, И.Л. Шрадер, М.Я. Беленький и др.), см.рис.1.

В целом продолжается накопление опытных данных по различного рода пристенным интенсификаторам теплообмена, однако их обобщения пока не выполнено. И это вряд ли возможно из-за неодинаковых условий образования сдвиговых и рециркуляционных течений, условий образования вторичных пограничных слоев, специфики процессов релаксации и т.д.

Из анализа опубликованных работ было установлено, что инженерные методы расчета для оценки теплогидравлических параметров криволинейных гладких каналов достаточно надежны. В то же время отмечается, что для расчета сопротивления и теплоотдачи в криволинейных каналах с регулярной макрошероховатостью известный подход, основанный на принципе суперпозиции отдельных воздействий, может привести к ошибочным результатам. Другими словами, теплоотдача на криволинейной поверхности с полусферическими выступами не может быть рассчитана на основе данных по теплоотдаче в гладком криволинейном канале и в прямом канале с выступами. теплоотдача интенсификация криволинейный

Этот вывод однозначно вытекает из сравнительных исследований, выполненных в криволинейном канале со сферическими выемками и с поперечными выступами. Воздействие кривизны канала следует определять сравнением теплогидравлических параметров на искривленных и плоских теплообменных поверхностях с выступами.

Таким образом, выполненный в первой главе критический анализ опубликованных работ показал, что характер воздействия продольной кривизны поверхности на сопротивление и конвективный теплообмен при обтекании различных элементов макрошероховатости неодинаков. Поэтому для решения поставленных задач использование результатов исследования элементов макрошероховатости других типов неправомерно; необходимо провести исследования системы выступов в криволинейном канале. Кроме результатов с выступами на вогнутой или на выпуклой поверхности криволинейного канала, в качестве базы для сравнения необходимо получить данные в прямом канале с выступами в тех же режимных условиях.

В конце первой главы сформулированы задачи исследования.

Во второй главе приводится описание экспериментального стенда и объектов исследования, методики проведения экспериментов и обработки опытных данных.

Экспериментальная установка для исследования интенсификации теплообмена сферическими выступами в коротком криволинейном канале представляет собой аэродинамическую трубу, работающую в режиме разрежения. Перед экспериментальным участком установлен плоский гладкий канал длиной 1м.

На рис. 2 представлены схема и фотография опытного участка, а также схема размещения выступов в нем. Ширина канала составляла 400мм, его высота принимала значения H = 60, 80 и 100 мм. Относительная высота канала H/d изменялась от 0,86 до 1,43, где d - диаметр полусферического выступа в плане. Соотношение высот канала и выступа H/h = 1,72…2,86.

Относительная кривизна поверхности д^**/R варьировалась путем изменения радиуса кривизны канала (д^**- толщина потери импульса во входном сечении опытного участка): значение R_вогн = 500мм, 700мм; R_вып = 400мм, 600мм. Кроме этого, к изменению значения д^** приводило и варьирование числом Re.

Исследование теплообмена и гидродинамики в прямом канале с выступами позволило использовать при анализе влияния кривизны канала на интенсификацию теплообмена сферическими выступами метод относительного соответствия. Этот метод предполагает представление данных в относительной форме, что снижает систематическую погрешность полученных результатов.

Для измерения полей статического р и полного р^* давления во входном и выходном сечениях канала установлены координатники с трубками Пито- Прандтля. С помощью ходовых винтов координатники перемещались как по высоте, так и по ширине канала, охватывая все поперечное сечение проточной части. Например, для H/d = 1,43 значения давлений на каждом режиме по числу Re измерялись в 510-ти точках.

Объектом исследования являлся полусферический выступ высотой 35мм и диаметром 70мм. Матрица однотипных выступов устанавливалась на выпуклой или на вогнутой поверхности криволинейного канала (рис.2). Базовый вариант матрицы устанавливался на стенке прямого канала. Модели выступов размещались в 8 рядов в виде регулярной матрицы в шахматном порядке. Относительный продольный шаг выступов в ряду t_x/d = 2,28, а поперечный - t_z/d = 1,36. Исследуемая модель устанавливалась в 6-м ряду выступов, имитируя таким образом i-й ряд матрицы равномерно расположенных дискретных интенсификаторов теплообмена.

Правомерность исследования гидродинамики и теплообмена для системы однотипных элементов на характерном элементе, выделенном в матрице из этих элементов, основывается на методе локального моделирования, хорошо известном в теории и технике теплофизического и гидродинамического эксперимента.

Распределение статического давления измерялось на модели полусферического выступа, выполненного холодным формованием из меди толщиной 0,8мм. Отбор статического давления на этой модели осуществлялся в 6-ти точках (рис.3). Диаметр отверстий на поверхности модели выступа составлял 0,4мм. В процессе проведения опытов эта модель поворачивалась относительно ее оси симметрии. Таким образом, измерения производились через каждые 45°.

Модель выступа для исследования теплоотдачи изготовлена из стали 12Х18Н10Т. Толщина стенки теплообменной модели составляет 15мм. Тепловой поток создавался электронагревателем, установленным в полости теплообменной модели выступа, который обеспечивал условие q сonst. Нагревательным элементом служила нихромовая проволока диаметром 0,5мм. На поверхности теплообменной модели установлены 62 хромель-алюмелевые термопары с разнесенным спаем (рис.3).

Плотность теплового потока на исследуемой теплообменной поверхности выступа рассчитывалась на основе поверхностного градиента температур. Этот градиент определялся численно расчетом трехмерного температурного поля по стандартной программе на основе определенных в опытах значений ЭДС термопар.

Эксперименты проводились по классической схеме однофакторного эксперимента. Основные геометрические и режимные параметры в процессе опытов изменялись в следующих пределах: относительная высота канала H/d = 0,86….1,43; соотношение высот канала и выступа H/h = 1,72…2,86; число Рейнольдса Re_D = wD_г/н = 1,7·10⁴…9,7·10⁴; относительная кривизна поверхности д^**/R = (0,8…8,7)·10^-3; температура воздуха составляла около 300 К.

Ввиду сложности определения условных толщин пограничного слоя в реальных технических устройствах и с целью обеспечения доступности разработанных рекомендаций для инженерных расчетов влияние кривизны канала на интенсификацию теплообмена сферическими выступами выражена с помощью относительной функции Ш_RH, выражающей влияние кривизны через относительную высоту канала H/d. Таким образом, результаты исследований по теплоотдаче были представлены в виде:

Nu_{D выст}= АRe_D^mШ_H Ш_RH,

где Ш_H ,Ш_RH - корректирующие множители, учитывающие влияние высоты канала с выступами и искривленность канала; А и m - константы.

Относительная погрешность определения числа Re находилась в интервале ±2,1%, коэффициента сопротивления - в интервале ±6,5%, а числа Nu - в интервале ±15,4% при доверительной вероятности 0,95.

В третьей главе диссертации рассмотрены тестовые эксперименты, а также результаты опытного исследования гидродинамики в коротком прямом и криволинейном канале: поля осредненной продольной скорости в выходном сечении канала, распределение коэффициента давления по обводу выступа на вогнутой, выпуклой поверхности криволинейного канала и в прямом канале, коэффициент гидравлического сопротивления в прямом и криволинейном канале со сферическими выступами.

В качестве тестовых экспериментов были проведены опыты по измерению профиля скорости на входе в опытный участок, которые были сопоставлены со стандартным профилем скорости w/w_? = (y/д)^1/7. Кроме этого, были измерены и проанализированы данные 62-х поверхностных термопар на теплообменном объекте исследования, помещенных в термостат.

Анализ и объяснение полученных по гидродинамике и теплообмену результатов был выполнен с позиций физической модели, которая основывалась на известных в литературе положениях:

- увеличение степени турбулентности потока затрудняет образование рециркуляционных и вихревых течений, генерируемых обратным уступом, в длинном криволинейном канале и др.; разрушает их или уменьшает их размеры;

- образующиеся при поперечном обтекании цилиндра вихри существенно увеличивают теплоотдачу на поверхности, расположенной от цилиндра на расстоянии, не превышающем один его диаметр; на большем удалении цилиндра от поверхности это влияние быстро уменьшается;

- крупные вихри сдвигового слоя за обратным уступом после присоединения интенсифицируют теплообмен в ядре потока на значительном расстоянии от уступа.

Сравнительный анализ полей скорости позволил предположить, что влияние кривизны канала с выступами на теплоотдачу и сопротивление проявляется через изменение размеров и интенсивности крупных вихрей и рециркуляционных течений, которые в свою очередь зависят от генерируемых или подавляемых центробежными силами турбулентных пульсаций скорости.

Картины распределения продольных скоростей w_x в выходном сечении прямого и криволинейного каналов с различными значениями H/d показали, что обтекание расположенного в центре сферического выступа, на котором проводились измерения, не зависит от наличия боковых стенок (рис.4).

Сравнительными экспериментами установлено, что увеличение кривизны нестесненного канала, в котором выступы находятся на вогнутой поверхности, приводит к увеличению скорости за выступом, расположенным вдоль средней лини вогнутой стенки. Так, при H/d = 1,43 и Re_D = 7,15 Re·10⁴ для относительной координаты y/d = 0,5, соответствующей высоте выступа, скорости потока за выступом в обоих случая практически равны (w_вогн ,5м/с, w_прям 7,7м/с). В то же время при меньших значениях y/d скорость потока около вогнутой поверхности с выступами выше, чем в этих же условиях около стенки в прямом канале. Так, при y/d = 0,07 значение w_вогн5м/с, а w_прям 3,7м/с.

В области расположения выступов на выпуклой поверхности уровень скоростей более низкий, нежели в прямом канале. Так, при тех же геометрических и режимных параметрах, что и на вогнутой поверхности, за центральным выступом на выпуклой поверхности продольная скорость w_x при y/d = 0,07…0,5 изменяется от 3,5 до 5 м/с. При этом в прямом канале значения w_x изменяются от 3,7 до 7,7 м/с.

Консервативное воздействие центробежных массовых сил около выпуклой поверхности приводит к подавлению пульсаций скорости. Вследствие этого интенсивность и размеры крупных вихрей и рециркуляционных течений, генерируемых выступами, возрастает по сравнению с течением в прямом канале, что снижает значение w_x.

Результаты опытов по определению коэффициента давления C_p на поверхности выступа в канале показывают, что его распределение качественно соответствует обтеканию сферы потенциальным потоком.

Значения C_p на боковых поверхностей выступа в случаях криволинейного и прямого канала различаются. Наименьшее значение коэффициента давления C_p наблюдается при обтекании выступа, установленного на вогнутой поверхности криволинейного канала (рис.5): при ц = 90є значение C_{p вогн}? -3,0; C_{p прям} ? -2,7; C_{p вып}? -2,3. Таким образом, имеем: C_{p вогн} < C_{p прям} < C_{p вып}.

Сравнение опытных данных по коэффициенту гидравлического сопротивления показало, что в стесненном канале, при H/d = 0,86 значения о_{выст.вогн} ? о_выст.0. При больших значениях H/d имеет место о_{выст.вогн}/о_выст.0 > 1. То же самое наблюдается и при установке выступов на выпуклой поверхности канала: при H/d > 0,86 значение о_{выст.вып}/о_выст.0 > 1. Таким образом, получается, что искривление нестесненного канала с выступами в обоих случаях приводит к увеличению коэффициента гидравлического сопротивления.

Так, если выступы установлены на вогнутой поверхности криволинейного канала (рис.6), то активное воздействие центробежных массовых сил, реализуемое около этой поверхности, приводит к ослаблению интенсивности отрывных и присоединяющихся течений и к снижению потерь энергии. Это следует из сопоставления распределения продольной скорости потока в области выступов, которая около вогнутой поверхности больше, чем в прямом канале при прочих равных условиях. При этом получается, что увеличение интенсивности турбулентных пульсаций около вогнутой поверхности приводит к меньшему приросту сопротивления, чем уменьшается сопротивление от снижения интенсивности рециркуляционных течений и крупных вихрей.

Понижение скорости потока в прилегающей к гладкой выпуклой поверхности области по сравнению с прямым каналом происходит вследствие более интенсивных, чем в прямом канале, рециркуляционных течений и крупных вихрей, поступающих из области выступов.

Это неравенство имеет место в прилегающей к выпуклой поверхности части поперечного сечения канала, где при консервативным воздействии центробежных массовых сил находящиеся там рециркуляционные течения и крупные вихри становятся более интенсивными, нежели в прямом канале.

Что касается криволинейного канала с выступами на выпуклой поверхности (рис.7), то и в этом случае искривление канала приводит к увеличению о по сравнению с прямым каналом. И причина здесь также заключается в увеличении потерь энергии за счет образования более интенсивных, чем в прямом канале, рециркуляционных течений и крупных вихрей при обтекании выступов.

Из рисунков 6 и 7 видно, что в стесненном канале, когда H/d = 0,86, относительная высота канала не влияет на значение о_{выст.вогн} , о_{выст.вып}. Известно, что в стесненном канале с выступами, как и в канале с другими типами макрошероховатости, сопротивление и теплоотдача возрастают. Связано это с тем, что при малых значениях H/d начинает влиять противоположная стенка, отражая и возвращая в поток крупные вихри. Чем более стесненный канал, тем более он насыщен крупными вихрями, образующимися в сдвиговой области за выступом. Это способствует сохранению в стесненном прямом канале более высокого уровня сопротивления по сравнению с нестесненным прямым каналом. Поэтому в этом случае влияние центробежных сил не проявляется.

Таким образом, результаты опытных исследований показали, что гидравлическое сопротивление нестесненного криволинейного канала с выступами на вогнутой или на выпуклой поверхности превышает сопротивление прямого канала на 30…50% при прочих равных условиях. Причина увеличения сопротивления в обоих случаях связана с прямым или опосредованным воздействием на поток центробежных массовых сил.

В четвертой главе диссертации рассмотрены результаты опытного исследования конвективного теплообмена в коротком прямом криволинейном канале с выступами.

Опыты в прямом канале показали (рис.8), что, как и следовало ожидать, с уменьшением его относительной высоты теплоотдача на выступе возрастает.

Результаты экспериментов в прямом канале с выступами представлены соотношениями:

- при H/d = 0,86: Nu_{D выст 0}= 0,34Re_D^0,6; (1)

-для H/d = 1,14: Nu_{D выст 0}= 0,28Re_D^0,6; (2)

-для H/d = 1,43: Nu_{D выст 0}= 0,245Re_D^0,6. (3)

Как видно из рис.9, увеличение относительной высоты канала H/d более, чем до 1,43 практически не должно влиять на интенсификацию теплообмена выступами. Поэтому в качестве базового уравнения подобия для обобщения опытных данных по теплоотдаче было выбрано уравнение (3) для прямого канала с H/d = 1,43. На этом рисунке показан осредненный по всем исследованным режимам характер изменения Nu/Nu₀ для всего исследованного диапазона значений H/d. Эта зависимость описывается соотношением:

Ш_H = 2,86 - 2,33(H/d) + 0,72(H/d)². (4)

Теперь проанализируем теплоотдачу на выступе в криволинейном канале.

Ввиду сложности определения условных толщин пограничного слоя в реальных технических устройствах, а также с целью обеспечения доступности разработанных рекомендаций для инженерных расчетов влияние кривизны канала на интенсификацию теплообмена сферическими выступами выражено с помощью относительной функции Ш_RH, характеризующей влияние кривизны через относительную высоту канала H/d. Корректирующий множитель Ш_RН выявлялся из полученных данных по теплоотдаче исключением фактора влияния высоты прямого канала. Полученный таким образом фактор Ш_RН характеризует влияние высоты канала на теплоотдачу уже в криволинейном течении.

Как видно из рис.10, теплоотдача на выступе, установленном на вогнутой поверхности канала с относительной высотой H/d = 1,43 на (25…40)% превышает теплоотдачу в прямом канале с выступами. Анализ опытных данных показал, что с уменьшением относительной высоты канала эта разница в теплоотдаче снижается, и при H/d = 0,86 значение Nu_{выст.вогн}/Nu_выст.0 ? 1.

Действительно, при активном воздействии центробежных массовых сил около вогнутой поверхности нестесненного криволинейного канала рециркуляционные течения уменьшают свои размеры, поскольку пристенный поток более турбулизирован по сравнению с прямым каналом, при прочих равных условиях. Об этом говорят и результаты измерений продольной скорости w_x: в прикорневой области выступа, например, при y/d = 0,07 значение w_вогн /w_прям 1,35. Это ведет к сокращению и области с пониженной теплоотдачей.

В стесненном криволинейном канале, когда значение H/d уменьшается, отношение R_вогн/R_вып приближается к единице, и главную роль в увеличении теплоотдачи на выступах начинает играть все более интенсивное взаимодействие образующихся при обтекании выступов крупномасштабных вихревых структур с противоположной стенкой и далее - с расположенными ниже по потоку выступами. Это является дополнительным интенсифицирующим теплообмен фактором, не связанным с кривизной канала.

Теплоотдача на выступе, установленном на выпуклой поверхности нестесненного криволинейного канала, также выше, чем в прямом канале с выступами. При H/d = 1,43 (рис.10) это превышение составляет (15…20)%. С уменьшением относительной высоты канала эта разница в теплоотдаче снижается, и при H/d = 0,86, так же, как в случае вогнутой поверхности, значение Nu_{выст.вогн}/Nu_выст.0 ? 1.

В канале с выступами на выпуклой поверхности интенсификация конвективного переноса теплоты происходит за счет более развитых крупных вихрей, образующихся в сдвиговом слое за счет консервативного воздействия центробежных сил, подавляющих турбулентные пульсации. Это подтверждают измерения продольной скорости w_x, показавшие, что за выступом в верхней его части w_{выст.вып}/ w_выст.0 ? 0,65. При уменьшении H/d все более влияет стесненность канала, и разница в теплоотдаче между криволинейным и прямым каналами нивелируется.

Интенсификация теплообмена на вогнутой и выпуклой поверхностях канала представлена графиком на рис.11, который получен осреднением значений Nu/(Nu₀Ш_H) по всем исследованным режимам.

Результаты обобщения полученных опытных данных по теплоотдаче в коротком криволинейном канале приведены на рис.12, а соответствующие уравнения подобия имеют вид:

для вогнутой поверхности:

Nu_{D выст. вогн}= 0,245Re_D^0,6 Ш_H Ш_вогн; (5)

для выпуклой поверхности:

Nu_{D выст. вып} 0,245Re_D^0,6 Ш_H Ш_вып, (6)

Ш_вогн = -0,662 + 2,67(H/d) - 0,877(H/d)²; (7)

Ш_вып = 0,017 + 1,53(H/d) - 0,46(H/d)². (8)

Сопоставление коэффициентов гидравлического сопротивления и теплоотдачи показало, что переход от прямого канала с полусферическими выступами к криволинейному приводит к увеличению значений о и б. Причем сопротивление возрастает несколько более интенсивно, чем теплоотдача.

Далее, в четвертой главе диссертации, приводятся разработанные автором рекомендации по расчету гидравлического сопротивления короткого криволинейного канала и теплоотдачи на полусферических выступах, установленных на его вогнутой или выпуклой поверхностях. Рекомендации базируются на полученных автором уравнениях подобия для прямого канала с выступами при турбулентном режиме течения. Поправочные множители, учитывающие наличие выступов в канале и влияние его кривизны, также взяты из результатов настоящего исследования. Приводятся результаты расчета входной кромки охлаждаемой турбинной лопатки со сферическими выступами в криволинейном охлаждающем тракте.

Показано, что при Т_Г^* = 1700К и Т^*_{охл.возд} = 860К учет кривизны вогнутой поверхности с выступами приводит к уточнению температуры стенки со стороны горячего газа примерно на (50…60)К по сравнению с прямым каналом с выступами.

Основные результаты и выводы

1. Установлено, что в криволинейном канале с полусферическими выступами на вогнутой или выпуклой стенке при относительной высоте канала H/d > 0,86 коэффициент гидравлического сопротивления о на 30…50% выше, чем в прямом канале при прочих равных условиях. В стесненном канале, при H/d = 0,86, влияния продольной кривизны на сопротивление не обнаружено.

2. Получено, что при изменении относительной высоты H/d криволинейного канала с 0,86 до 1,43 интенсификация средней теплоотдачи полусферическими выступами, установленными на вогнутой или на выпуклой поверхности, возрастает до 30% и до 20% соответственно, по сравнению с прямым каналом.

3. Выявлено, что осредненные значения коэффициента давления С_р на поверхности выступа, установленного на вогнутой поверхности, имеют более низкие значения, а на выпуклой - более высокие значения, чем в прямом канале, в тех же условиях.

4. Установлено, что при переходе от прямого канала с выступами к криволинейному прирост гидравлического сопротивления более интенсивен, нежели прирост теплоотдачи.

5. Выполненные на основе разработанных рекомендаций сравнительные расчеты показали необходимость введения в методики расчета поправок, учитывающих влияние кривизны канала в рассматриваемых условиях.

Основные обозначения

x, y, z - продольная, вертикальная и поперечная координаты; Н - высота канала; h - высота сферического выступа; d - диаметр сферического выступа в плане; D_г - эквивалентный диаметр канала; д, д^** - толщины пограничного слоя и потери импульса на исходно гладкой поверхности; Re_D, Nu_D - числа Рейнольдса и Нуссельта, определенные по гидравлическому диаметру канала; Ш_H, Ш_вып, Ш_вогн - корректирующие множители-поправки, учитывающие влияние высоты канала и кривизны его выпуклой и вогнутой поверхности; Т^* - температура торможения потока; р, р^* - статическое и полное давления в потоке.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах

1. Аммар А.О. Теплогидравлические характеристики криволинейного канала со сферическими выступами на вогнутой поверхности./Аммар А.О., Ильинков А.В., Щукин А.В.// “ИВУЗ Авиационная техника”, №4, 2005. С.74-75.

2. Аммар А.О. Об интесификации теплообмена сферическими выступами./Аммар А.О., Ильинков А.В., Щукин А.В.// Сборник материалов XY Всероссийской межвузовской научно-технической конференции “Электромеханические и внутренние процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий”. Часть 2. Михайловский военный артиллерийский университет (филиал г.Казань). Казань, 2003,С. 32-34.

3. Аммар А.О. Конвективный теплообмен на поверхности со сферическими выступами./Аммар А.О., Ильинков А.В., Максимов Н.Ф., Щукин А.В.// Труды IV Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН В.Е.Алемасова. Казань, 2004г., с. 285-288.

4. Аммар А.О. К исследованию воздействия центробежных сил на теплоотдачу около криволинейных поверхностей со сферическими выступами./Аммар А.О., Ильинков А.В., Максимов Н.Ф., Щукин А.В.// Материалы докладов XVI Всероссийской межвузовской научно-технической конференции КФВАУ “Внутрикамерные процессы в энергетических установках, акустика, диагностика, экология” Казань, 2004г.

5. Аммар А.О. Гидродинамика и теплообмен на вогнутой поверхности со сферическими выступами./Аммар А.О., Ильинков А.В., Щукин А.В.// Тезисы IV международной конференции “Проблемы промышленной теплотехники”. Киев, Украина, 2005. С. 46-47.

6. Аммар А.О. Конвективный теплообмен на вогнутой поверхности со сферическими выступами./Аммар А.О., Ильинков А.В., Максимов Н.Ф., Щукин А.В.// Сборник материалов ХУII Всероссийской межвузовской н/т конференции “Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий” Казань: Часть1. 2005г., С.291-292.

7. Аммар А.О. Гидродинамика в коротком криволинейном канале со сферическими выступами./Аммар А.О., Ильинков А.В., Щукин А.В.// Сборник материалов ХУII Всероссийской межвузовской н/т конференции “Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий” Казань: Часть1. 2006г. С.320-321.

8. Аммар А.О. О коэффициенте давления при обтекании сферических выступов в криволинейном канале./Аммар А.О., Бассариев Р.Ф., Кауров А.В.// Сборник материалов ХУII Всероссийской межвузовской н/т конференции “Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий” Казань: Часть1. 2006г.С.321-322.

9. Аммар А.О. Особенности гидродинамики в коротком криволинейном канале с полусферическими выступами./Аммар А.О., Ильинков А.В., Щукин А.В.// Труды IV Российской национальной конференции по теплообмену. Т.6., М.: Изд-во МЭИ, 2006г., С.147-149.

10. Аммар А.О. Теплогидравлические характеристики криволинейного канала с выступами./Аммар А.О.//XIII Международная научно-техническая конференция в г.Севастополь “Машиностроение и техносфера XXI века”. Т.1. - Донецк: ДонНТУ. - 2006. - С.6-9.



Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная.

Печ.л. 1,0. Усл.печ.л. 0,93. Усл.кр.-отт. 0,93. Уч.-изд.л. 1,0.

Тираж 100. Заказ

Типография Издательства Казанского государственного

технического университета

420111, Казань, К.Маркса, 10

Размещено на Allbest.ru