1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Теплофизика высоких температур
  4. T. 57, № 3, 2019

Теплофизика высоких температур, 2019, T. 57, № 3, стр. 416-425

Экспериментальное исследование влияния формы зазора между выступом и плоской пластиной на структуру пристеночного течения и теплообмен

С. А. Исаев 1, В. Н. Афанасьев 2, К. С. Егоров 2, Дехай Кон 2, *

1 Санкт-Петербургский государственный университет гражданской авиации
Санкт-Петербург, Россия

2 Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана
Москва, Россия

* E-mail: kongdehai2013@gmail.com

Поступила в редакцию 11.07.2018
После доработки 22.08.2018
Принята к публикации 10.10.2018

Полный текст (PDF)

Аннотация

Представлены и проанализированы результаты экспериментального исследования динамических и тепловых характеристик турбулентного пограничного слоя воздуха около нагретой пластины при qw = const с установленными на ней прямоугольными выступами со щелевыми каналами различной геометрии: конфузорным, диффузорным и плоскопараллельным. Щелевой канал располагается между пластиной и нижней стенкой выступа. Проведено сравнение с аналогичными данными для сплошного выступа без щелевого канала. Для исследований использовались микрозонд Пито–Прандтля с микротермопарой и термоанемометрический комплекс Dantec Dynamics, что позволило изучить ламинарный подслой, переходную область и внешнюю часть пограничного слоя. Определено влияние профилирования щели на средние и пульсационные характеристики турбулентного динамического и теплового пограничных слоев в срединном сечении пластины со щелевым выступом. Установлено, что в потоке за выступами с конфузорной щелью устраняется отрывная зона.

ВВЕДЕНИЕ

Разработка и создание высокоэффективных, компактных и надежных систем охлаждения являются актуальной проблемой, которая часто и успешно решается путем использования эффективных методов интенсификации теплообмена. Большой практический интерес вызывают методы, в которых предлагается воздействовать на поток, в первую очередь на пограничный слой, с помощью различных интенсификаторов, таких как траншеи [1, 2], упорядоченные пакеты сферических углублений [3, 4], ребер, выступов и впадин различной геометрии [5–29] и т.п.

Экспериментальные и теоретические исследования структуры течения при обтекании разного рода выступов и углублений на исходно гладких поверхностях представляют значительный практический интерес, поскольку углубления и полости конструктивного или случайного происхождения встречаются на многих конвективных поверхностях, например в случаях входящих в атмосферу космических летательных аппаратов, подвергающихся ударам микрометеоритов и аэродинамическому нагреву, каналов в турбинах, поверхностей оперения и т.п. При обтекании выступов и углублений отрыв пограничного слоя и его повторное присоединение приводят к возникновению явлений, оказывающих существенное влияние на сопротивление и теплообмен. Во многих работах [10–17] акцент делается на сопоставление интегральных характеристик переноса теплоты и импульса, однако в последние годы появились работы, в которых большое внимание уделяется детальному исследованию структуры потока и локальных характеристик течения и теплообмена вблизи интенсификаторов теплообмена с использованием современных экспериментальных и численных методов диагностики. Среди них можно отметить численное исследование структуры течения и теплообмена прямым численным моделированием (Direct Numerical Simulation – DNS) [18] и экспериментальные исследования с применением PIV (Particle Image Velocimetry) [19, 20].

Одной из задач интенсификации конвективного теплообмена является такое воздействие на пограничный слой, которое сделало бы его более тонким или частично разрушило. Поскольку турбулизация потока связана с затратами энергии, то при разработке эффективных методов интенсификации теплообмена представляется важным рациональный выбор места расположения и устройства турбулизатора. Наиболее эффективным является метод интенсификации, который бы воздействовал на пристеночные слои жидкости на расстоянии порядка y + ≤ 30–100 от стенки, не оказывая влияния на ядро потока [5, 6, 10, 30]. Именно такой метод способен обеспечить существенное увеличение коэффициента теплоотдачи при умеренном росте коэффициента трения, т.е. достичь опережающего роста теплоотдачи над увеличением сопротивления трения. Традиционный интерес представляют выступы, утопленные в пограничный слой и несколько заходящие по высоте в переходную область, которые незначительно влияют на профильное сопротивление поверхности с выступом.

К эффективным методам управляемого воздействия на структуру пристеночного турбулентного потока относится организация отрывных зон и вихревых структур [31]. Одним из наиболее распространенных способов генерации вихрей являются поперечные выступы или канавки, размещаемые на поверхности теплообмена. Выступы и углубления могут иметь различную форму и размеры, что существенно сказывается на структуре пограничного слоя и процессах переноса тепла и импульса. В большинстве известных работ (см., например, [10]) исследуются характеристики отрывных течений и теплообмена в каналах в зависимости от относительных геометрических размеров выступов. В то же время крайне мало исследований внешнего обтекания поверхностей с выступами при различных толщинах пограничных слоев. Интерес представляет анализ влияния отношения высоты выступа к толщине пограничного слоя, шага между выступами к высоте выступа, отношения ширины выступа к толщине пограничного слоя, влияния формы выступа, расположения его под разными углами к основному потоку и т.п. Следует отметить, что в работах, как правило, исследуются выступы и ребра относительно больших размеров – соизмеримых или больше толщины пограничного слоя [8, 9, 12–14]. В [12] экспериментально проанализированы гидродинамические и теплообменные характеристики отрывного течения при изменении формы и высоты преграды, в том числе обратный уступ и поперечный тонкий выступ (ребро) с применением миниатюрной трубки Пито–Прандтля и микротермопар. Также с помощью сажемасляной визуализации определен размер рециркуляционной области за уступом и выступом. Как правило, анализ работ по теплообмену в отрывных зонах указывает на нарушение аналогии Рейнольдса в отрывной области не в пользу теплоотдачи.

Как известно, при обтекании сплошного выступа впереди него и за ним образуются низкоскоростные отрывные зоны, что значительно уменьшает коэффициент теплоотдачи в его окрестности. Как показано в [21], уменьшения или удаления этих зон можно достигнуть за счет перфорации выступа плоскопараллельными щелевыми каналами. Показано, что такой щелевой выступ способен устранить отрывные зоны за счет дросселирующего эффекта [32]. Известно, что размещение на стенке канала проницаемых выступов позволяет увеличить эффективность теплоотдачи в сравнении с каналом со сплошными выступами. В работе [22] экспериментально исследованы турбулентные характеристики трения и теплоотдачи в прямоугольном канале с пористыми выступами, установленными на одной стенке. Показано, что зон с низким коэффициентом теплоотдачи в области за пористыми выступами не наблюдается. Более детально исследованы механизмы процессов переноса импульса и энергии при обтекании выступа со щелью в работе [23]. В работе [20] также исследована структура потока при обтекании проницаемых выступов с помощью PIV и поверхностной визуализации потока. Кроме того, во многих экспериментальных [24–26] и численных [27–29] исследованиях уделяется большое внимание изучению особенностей обтекания отсоединенных выступов или ребер. В [26] экспериментально проанализированы отсоединенные перфорированные выступы в прямоугольном канале. Все работы выполнены преимущественно для преград постоянного квадратного или прямоугольного сечений.

В данной работе предлагается интенсифицировать теплоотдачу путем использования прямоугольных протяженных щелевых поперечных выступов на пластине с тремя видами профилирования щели между пластиной и выступом: конфузорная щель, диффузорная щель и щель с постоянным сечением. Наличие зазора между выступом и стенкой канала формирует пристеночную струю в области отрывного течения за выступом.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Исследования выполнялись на дозвуковой низкотурбулентной (ɛ = 0.2%) аэродинамической трубе открытого типа, работающей по принципу всасывания. Подробное описание методики эксперимента и экспериментальной установки приведено в [1, 3, 33]. Экспериментально анализировалось обтекание щелевых, прямоугольных, квадратных выступов высотой, соответствующей примерно y + <100, где y + = yuτ/ν.

Выступ прямоугольной формы с конфузорной, диффузорной щелями и щелью постоянного сечения, высотой h = 3.2 мм и шириной b = 3.2 мм, устанавливался на нагреваемую плоскую стенку перпендикулярно потоку на расстоянии lx = 460 мм от входа в рабочий участок. Схема расположения выступа, его форма и размеры показаны на рис. 1 и в таблице. Скорость внешнего потока в первом сечении на расстоянии 425 мм от входа в рабочую часть канала поддерживалась равной примерно 15.5 м/с, что соответствует числу Рейнольдса, рассчитанному по толщине потери импульса в этом сечении, равном Re** = 1500.

Рис. 1.

Схема расположения прямоугольного щелевого выступа на пластине: (а) – с конфузорной щелью, (б) – с диффузорной щелью, (в) – со щелью постоянного сечения.

Таблица 1.  

Размеры исследуемых выступов

Вариант
на рис. 1		 Тип щели Высота выступа h, мм Размер щели, мм
h1 h2 b1
(а) Конфузорная 3.2 2.2 0.6 1.5
(б) Диффузорная 3.2 0.6 2.2 1.5
(в) Постоянная 3.2 1.0 1.0 3.2

Все измерения были выполнены с помощью микрозонда Пито–Прандтля с микротермопарой диаметром d = 0.1 мм, специально разработанного и созданного для работы в пограничном слое, и термоанемометрического комплекса Dantec Dynamics, что позволило исследовать ламинарный подслой, переходную область пограничного слоя, а также получить средние и пульсационные характеристики течения. Профили продольной скорости и ее пульсации в различных сечениях пограничного слоя измерялись с помощью однониточного датчика (тип 55P11) с модулем Dantec Dynamics 90С10, являющимся термоанемометром постоянной температуры (СТА). Чувствительный элемент датчика – вольфрамовая нить длиной 1.25 мм и диаметром 5 μк. Измерения температуры выполнены с использованием температурного модуля Dantec Dynamics 90C20, являющегося термоанемометром постоянного тока (ССА), который включает в себя миниатюрный датчик с позолоченной вольфрамовой нитью (тип 55P04) диаметром 5 μк и общей длиной 3 мм, работающий как термометр сопротивления. Для зондирования пограничного слоя используется система координатного устройства, включающая координатник, шаговый двигатель и блок питания. Точность перемещения датчика координатным устройством составляет порядка 0.02 мм. Калибровка датчиков термоанемометра проводится на тарировочном устройстве. Предельная относительная погрешность измерения скорости с использованием микроманометра МКВ-250 не превышает 1.2%. Измерение напряжения сигнала в процессе эксперимента для истинных мгновенных значений скорости и температуры осуществляется с помощью 12-битной PCI-6040E карты National Instruments сбора данных и компьютерной программы Stream Ware. Оценка неопределенностей измерения теплогидравлических характеристик получена для 95%-ного доверительного интервала согласно изложенному методу в работах [34, 35]. Неопределенность средней скорости и температура были оценены ±4 и ±3.6% соответственно. Неопределенность измерения среднеквадратичной величины продольных пульсаций скорости и температуры оценивалась соответственно в ±8 и ±7%.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ОБСУЖДЕНИЕ

В работе экспериментально исследовались средние и пульсационные динамические и тепловые характеристики отрывного течения при обтекании одиночных прямоугольных выступов с конфузорной, диффузорной щелями и щелью постоянного сечения в турбулентном пограничном слое, формирующемся при обтекании воздухом поверхности плоской пластины, нагреваемой постоянным тепловым потоком qw = const.

Совместное измерение распределений скорости и температуры и их пульсаций в турбулентном пограничном слое дает возможность количественно и качественно проанализировать и сопоставить теплообмен в различных областях пограничного слоя, включая вязкий подслой.

ГЛАДКАЯ ПЛАСТИНА

На рис. 2 приведены экспериментально определенные профили средних продольных скоростей и их пульсаций, средних температур и их пульсаций в трех сечениях на гладкой пластине до установки в этой области выступа. Эти профили в пограничном слое в трех сечениях имеют вид, характерный для плоской стенки, а состояние пограничного слоя соответствует полностью развитому турбулентному слою. На это указывает и величина формпараметра в этих сечениях H = = δ*/δ** = 1.35–1.37, т.е. имеется соответствие с законом одной седьмой.

Рис. 2.

Распределение скорости и температуры (а) и их пульсаций (б) в пограничном слое в трех сечениях (lx = 450, 500, 550 мм): 1–3 – скорость, 4–6 – температура, 7 – “закон 1/7”.

Пульсации скорости и температуры в трех сечениях (рис. 2б) имеют вид, характерный для турбулентного пограничного слоя при безградиентном обтекании пластины. Аналогично данным [1, 3, 6, 27] наблюдается один ярко выраженный максимум у стенки при (y/δ) ≈ 0.02, т.е. источником порождения турбулентности является зона максимального градиента скорости и температуры у стенки.

Приведенные на рис. 3 значения локальных коэффициентов трения и теплоотдачи достаточно хорошо согласуются с известными законами трения и теплообмена [1, 25]. Локальные коэффициенты трения определялись методом Клаузера по логарифмической части профиля скорости в пограничном слое и по наклону профиля скорости в ламинарном подслое, а также построены по толщине потери импульса. Локальные коэффициенты теплоотдачи рассчитаны по потере энергии и по наклону профиля температуры в ламинарном подслое. Их хорошее согласование с известными зависимостями свидетельствует о приемлемости используемых методик определения трения и коэффициентов теплоотдачи.

Рис. 3.

Законы трения и теплообмена на плоской пластине в трех сечениях (lx = 450, 500, 550 мм): 1–3 – Cf, 4–6 – St, 7 – Cf  = 0.0252(Re**)–0.25, 8 – St = 0.0144(${\text{Re}}_{T}^{{{\text{**}}}}$)–0.25.

ПРЯМОУГОЛЬНЫЙ ВЫСТУП С КОНФУЗОРНОЙ ЩЕЛЬЮ

Структура безградиентного турбулентного пограничного слоя экспериментально исследовалась как перед прямоугольным выступом, так и за ним в диапазоне взаимного расположения выступа и сечений замера –11.94 < x/h < 18.06, где x – расстояние от задней стенки выступа до исследуемого сечения, h – высота выступа.

На рис. 4 представлены распределения скорости и температуры (где ∆T = Tw – T, ∆T∞ = Tw – T∞) в пограничном слое в сечениях указанного интервала для прямоугольного выступа с конфузорной щелью (рис. 1а) в восьми сечениях. Из рассмотрения полученных результатов видно, что профили скорости и температуры при подходе к выступу (первое x/h = –11.94 и второе x/h = –5.7 сечения) остаются практически неизменными, однако по мере приближения к выступу профиль скорости, начиная с третьего сечения x/h = –1.94, деформирует и становится менее заполненным. На это также указывает изменение формпараметра H = = 1.37, 1.41 и 1.62, который начинает увеличиваться. В отличие от скорости профили температуры слабо реагируют на выступ и практически совпадают с законом одной седьмой. Они более заполнены, чем профили скорости, что соответствует данным [7], т.е. более консервативны к влиянию выступа и изменению его формы.

Рис. 4.

Распределение скорости и температуры в пограничном слое для прямоугольного выступа с конфузорной щелью (1, 2) и сплошного выступа [7] (3, 4): 1, 3 – U/U∞; 2, 4 – ∆T/∆T∞; (а) – сечение 1, x/h = –11.94; (б) – 2, –5.7; (в) – 3, –1.94; (г) – 4, –0.5; (д) – 5, 0.94; (е) – 6, 2.44; (ж) – 7, 10.25; (з) – 8, 18.06.

В окрестности сечения 3 (x/h = –1.94), в отличие от результатов [7] для сплошного прямоугольного выступа, наличие вихря или застойной зоны не наблюдается, что хорошо видно из рассмотрения профилей продольной скорости и ее пульсаций (рис. 4 и 5). Характер течения перед щелевым выступом совершенно иной по сравнению со сплошным выступом [7]. В случае конфузорного выступа часть пристенного потока устремляется в щель и ускоряется, а другая часть огибает выступ и за ним устремляется к стенке.

Рис. 5.

Распределение пульсаций скорости и температуры в пограничном слое для прямоугольного выступа с конфузорной щелью (1, 2) и сплошного выступа [7] (3, 4): 1, 3 – u'/U∞; 2, 4 – T '/∆T∞; (а)–(з) – то же, что на рис. 4.

Распределения пульсаций скорости и температуры в пограничном слое для прямоугольного выступа с конфузорной щелью представлено на рис. 5. Перед выступом во всех сечениях распределения пульсаций скорости и температуры практически совпадают с соответствующими характеристиками при безградиентном обтекании пластины без выступа. В сечении 3 при входе в щель максимум пульсаций скорости у стенки несколько возрастает, что, скорее всего, связано с ускорением потока при входе в профилированную щель.

В сечении 4 над выступом несколько увеличиваются пульсации скорости и температуры. Следует отметить, что над выступом характер изменения исследуемых параметров существенно зависит от места расположения сечения замера.

За выступом образуется сложное течение, как видно из рис. 4 и 5. В области между сечениями 5 и 8 (0.94 < x/h < 18.06) происходит смешение внешнего потока, оторвавшегося от поверхности выступа, и ускоренного пристеночного потока, истекающего из конфузорной щели. Наблюдается сильная деформация профилей температуры и особенно профилей скорости и ее пульсаций. Увеличение в сечении 6–7 формпараметра H = 4.31 и 2.19 указывает на наличие значительного влияния выступа на профили скорости. Профили температуры за выступом и их пульсации слабо изменяются. Сразу за выступом (сечение 5, x/h = 0.94), в его верхней части (h – h2), в отличие от обтекания сплошного выступа [7] наблюдается небольшой присоединенный вихрь, что хорошо видно из рассмотрения профиля скорости и ее пульсаций (рис. 4 и 5). На возникновение присоединенного вихря за выступом указывает изменение направления скорости потока на противоположное (рис. 4д). В сечении 6 (x/h = 2.44) следов вихря уже не наблюдалось и в сечениях 7 и 8 пограничный слой возвращается к своему нормальному состоянию, соответствующему безградиентному турбулентному обтеканию пластины.

В данных экспериментальных исследованиях обтекания выступа с конфузорной щелью отрывных зон перед выступом и за ним не наблюдается. Однако непосредственно за уступом (рис. 4д и 5д) существенные изменения происходят в профиле скорости и ее пульсациях. В распределении пульсаций скорости (рис. 5д) наблюдается три максимума и два в распределении пульсаций температуры. Таким образом, за выступом в распределении пульсаций скорости имеется три источника порождения турбулентности – пульсаций скорости: поверхность теплообмена, конфузорная поверхность выступа, зона отрыва основного потока от верхней поверхности выступа. В сечении 5 пульсации скорости у стенки несколько превосходят интенсивность турбулентности в зоне смешения. Кроме того, за выступом в зоне смешения (рис. 5) видно, что максимум пульсаций скорости существенно превосходит максимум пульсаций температуры – это объясняется большей деформацией профиля скорости по сравнению с деформацией профиля температуры. У пульсаций температуры два слабо выраженных максимума: у стенки и в зоне смешения. Второй максимум пульсаций скорости уже в сечении 6 сливается с первым и, начиная с этого сечения, у пульсаций температуры и у пульсаций скорости наблюдаются только два максимума, причем максимум пульсаций скорости в зоне смешения растет значительно быстрее пристеночного и превосходит его.

Из рассмотрения профилей скорости и температуры (рис. 4) видно, что они имеют небольшие изломы. Первые изломы профилей скорости и температуры совпадают с максимумами соответствующих пульсаций у исходно гладкой поверхности – поверхности теплообмена, а вторые – со вторым максимумом соответствующих пульсаций, который находится в зоне отрыва потока от внешней поверхности выступа. Кроме того, из рассмотрения полученных результатов видно, что за выступом с конфузорной щелью возвратное течение отсутствует, размер области которого, как известно [7], в случае сплошного выступа составляет порядка x/h = 7–8 калибров.

Иначе себя ведут пульсации скорости, из распределения которых видно (рис. 5), что максимум пульсаций скорости сохраняется на линии тока, идущей от верхней границы вихря, и что область повышенных пульсаций расширяется, т.е. турбулентные пульсации, возникающие на верхней границе вихря, переносятся осредненным течением вдоль линий тока, постепенно затухая и диффундируя в стороны от нее. Таким образом, по мере удаления от выступа зона максимумов пульсаций расширяется и увеличивается, но она не оказывает влияние на средние характеристики – профили средних скоростей и температур за выступом возвращаются к закону одной седьмой.

На рис. 6 представлено сравнение экспериментально полученных профилей скорости с универсальным логарифмическим законом распределения скорости в турбулентном пограничном слое на плоской пластине:

(1)
${{u}^{ + }} = {{y}^{ + }}\,\,{\text{д л я }}\,\,{{y}^{ + }} < 5,$
(2)
${{u}^{ + }} = 5.75\lg {{y}^{ + }} + 5.2\,\,{\text{д л я }}\,\,{{y}^{ + }} > 30,$
Рис. 6.

Универсальный логарифмический закон распределения скорости при обтекании прямоугольного выступа с конфузорной щелью: x/h = –11.94 (1), –5.7 (2), –1.94 (3), –0.5 (4), 0.94 (5), 2.44 (6), 10.25 (7), 18.06 (8), 9 – расчет по (1), 10 – по (2).

где u+ = u/uτ – безразмерная скорость; y+ = yuτ/ν – безразмерная координата; uτ = (τw/ρ)0.5 – динамическая скорость.

Такое представление профилей скорости дает возможность судить о состоянии пограничного слоя в данном сечении. Если полученные распределения скорости достаточно точно описываются универсальным законом, то течение в пограничном слое турбулентное и безградиентное. Таким образом, используя рис. 6, можно судить о степени воздействия турбулизатора (выступа) на пристеночную область пограничного слоя – в первую очередь на ламинарный подслой, буферную область и логарифмическую часть пограничного слоя. Динамическая скорость, по которой обрабатывались логарифмические профили, определена по логарифмической части профиля скорости в пограничном слое (метод Клаузера) и по наклону профиля скорости в ламинарном подслое (закон Ньютона) в сечениях 1, 2 и 8. В отрывных зонах, где в профилях скорости нет логарифмического участка, динамическая скорость рассчитана только по наклону профиля скорости в ламинарном подслое (закон Ньютона). Из рассмотрения рис. 6 видно, что в сечениях 1 и 2 профиль скорости практически еще не реагирует на приближение выступа – имеет место стандартный турбулентный пограничный слой. После выступа в сечениях 7 и 8 также восстанавливается стандартный турбулентный пограничный слой. Профили средних скоростей и температур за выступом между шестым и седьмым сечениями формируются после смешения оторвавшегося от поверхности выступа потока с пристеночной струей, истекающей из щели. В результате возникает новый пограничный слой, который постепенно возвращается к закону одной седьмой (рис. 6).

ПРЯМОУГОЛЬНЫЙ ВЫСТУП С ДИФФУЗОРНОЙ ЩЕЛЬЮ

На рис. 7 представлены измеренные профили скорости и температуры в пограничном слое для прямоугольного выступа с диффузорной щелью (рис. 1б) (в интервале –12.6 < x/h < 18.13). Из рассмотрения полученных результатов рис. 7 и 8 видно, что профили скорости, температуры и их пульсаций перед уступом практически совпадают с аналогичными результатами для выступа с конфузорной щелью.

Рис. 7.

Распределение скорости и температуры в пограничном слое для прямоугольного выступа с диффузорной щелью (1, 2) и сплошного выступа [7] (3, 4): 1, 3 – U/U∞; 2, 4 – ∆T/∆T∞; (а) – сечение 1, x/h = –12.6; (б) – 2, –2; (в) – 3, 0; (г) – 4, 1; (д) – 5, 2; (е) – 6, 3; (ж) – 7, 10; (з) – 8, 18.13.

Рис. 8.

Распределение пульсаций скорости и температуры в пограничном слое для прямоугольного выступа с диффузорной щелью (1, 2) и сплошного выступа [7] (3, 4): 1, 3 – u'/U∞; 2, 4 – T '/∆T∞; (а)–(з) – то же, что на рис. 7.

В случае выступа с диффузорной щелью, как и в случае выступа с конфузорной щелью, часть пристеночного потока устремляется в щель, где он замедляется в расширяющейся части щели. На выходе за выступом эта часть потока взаимодействует с той его частью, которая огибает выступ и, отрываясь от него, устремляется к стенке. Картина течения за выступом с диффузорной щелью в целом аналогична картине обтекания сплошного прямоугольного выступа [7]. Однако отрывная зона за щелевым выступом оказывается существенно меньшей (x/h ≈ 4–5) по сравнению с аналогичной зоной (x/h ≈ 8) для сплошного прямоугольного выступа [7].

Различное влияние выступа на пульсационные характеристики пограничного слоя иллюстрируется распределением пульсаций скорости в последних сечениях (x/h = 5–18.13). Профили осредненных скоростей и температур в рассматриваемых сечениях практически приближаются к закону одной седьмой, а пульсации скорости и температуры в этих сечениях существенно выше, чем для соответствующих параметров при безградиентном течении.

Непосредственно за уступом в сечении x/h = 1 (рис. 8) заметные изменения наблюдаются в пульсациях скорости и температуры. В распределении пульсаций скорости и температуры отмечаются два максимума, т.е. имеется два источника порождения турбулентности – пульсаций скорости: поверхность теплообмена и зона отрыва основного потока от верхней поверхности выступа. Во всех сечениях за выступом пульсации скорости в зоне смешения существенно выше, чем у стенки. Кроме того, за выступом в зоне смешения (рис. 8) максимум пульсаций скорости существенно превосходит максимум пульсаций температуры. Это же имело место и в случае выступа с конфузорной щелью (рис. 5). У пульсаций температуры наблюдаются два максимума: у стенки и в зоне смешения. Максимум пульсаций скорости в зоне смешения растет значительно быстрее пристеночного максимума и превосходит его. По мере развития течения за выступом максимум пульсаций несколько снижается, но профиль пульсаций становится более наполненным и утолщается.

Как и в случае конфузорной щели, пульсации скорости существенно отличаются от безградиентного обтекания.

Распределение средних скоростей в универсальных логарифмических координатах во многом совпадает со случаем выступа с конфузорной щелью.

ПРЯМОУГОЛЬНЫЙ ВЫСТУП СО ЩЕЛЬЮ ПОСТОЯННОГО СЕЧЕНИЯ

Профили скорости, температуры и их пульсации замеряются в восьми сечениях пограничного слоя для прямоугольного выступа со щелью постоянного сечения (рис. 1в) в интервале –11.94 < < x/h < 20.88.

Из рассмотрения полученных результатов (рис. 9, 10) видно, что профили скорости, температуры и их пульсаций перед уступом практически совпадают с аналогичными результатами для выступов с конфузорной и диффузорной щелями. В окрестности сечения 3 (перед выступом x/h = –1.94), как и в указанных выше случаях, в отличие от [7] для сплошного прямоугольного выступа наличие вихря перед щелевым выступом не наблюдается, что следует из рассмотрения профилей скорости и их пульсаций (рис. 9 и 10).

Рис. 9.

Распределение скорости и температуры в пограничном слое для прямоугольного выступа со щелью постоянного сечения (1, 2) и сплошного выступа [7] (3, 4): 1, 3 – U/U∞; 2, 4 – ∆T/∆T∞; (а) – сечение 1, x/h = –11.94; (б) – 2, –1.94; (в) – 3, –0.5; (г) – 4, 0.56; (д) – 5, 2.13; (е) – 6, 5.25; (ж) – 7, 8.38; (з) – 8, 20.88.

Рис. 10.

Распределение пульсаций скорости и температуры в пограничном слое для прямоугольного выступа со щелью постоянного сечения (1, 2) и сплошного выступа [7] (3, 4): 1, 3 – u'/U∞; 2, 4 – T '/∆T∞; (а)–(з) – то же, что на рис. 9.

Как и в ранее описанных случаях с выступами с конфузорной и диффузорной щелями, часть пристеночного потока устремляется в щель, где она ускоряется, и на выходе за выступом эта часть потока взаимодействует с той его частью, которая огибает выступ и, отрываясь от него, устремляется к стенке. За выступом со щелью постоянного сечения картина течения во многом похожа на картину обтекания выступа с конфузорной щелью, однако в рассматриваемом случае отмечается небольшая область возвратного течения в верхней части выступа (в сечении x/h = 0.56 на рис. 9 и 10). В сечении x/h = 2.13 наблюдается очень тонкая отрывная зона.

Распределения пульсаций скорости и температуры в пограничном слое для прямоугольного выступа со щелью постоянного сечения представлены на рис. 10. Во всех сечениях перед выступом они практически совпадают с соответствующими характеристиками безградиентного обтекания пластины.

За рассматриваемым щелевым выступом образуется сложное вихревое течение, аналогичное формирующемуся при обтекании выступа с конфузорной щелью. Профиль температуры при этом практически не изменяется. В отрывной зоне существенное изменение претерпевают пульсации скорости и температуры (рис. 10), на что указывает появление трех максимумов в распределении пульсаций скорости и двух максимумов в распределении пульсаций температуры (рис. 10, сечение 5) подобно обтеканию выступа с конфузорной щелью.

Распределение средних скоростей в универсальных логарифмических координатах во многом аналогично случаям выступов с конфузорной и диффузорной щелями.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе экспериментально исследованы процессы гидродинамики и теплообмена при турбулентном обтекании воздухом поверхности пластины, обогреваемой постоянным тепловым потоком qw = const, с установленными на ней поперек потока прямоугольными выступами (δ/h ≈ 4) с конфузорной, диффузорной щелями и щелью постоянного сечения. Получены базы экспериментальных данных по средним и пульсационным характеристикам скорости и температуры вдоль середины пластины в сечениях турбулентного пограничного слоя при обтекании щелевых прямоугольных выступов. Показано, что перед щелевым выступом не образуется вихревых и отрывных зон. В пограничном слое за щелевыми выступами пульсации температуры имеют два максимума, а пульсации скорости в случае конфузорной щели и щели постоянного сечения характеризуются тремя максимумами, которые существенно выше, чем в безградиентном течении на плоской стенке. Пульсации температуры и скорости имеют два максимума в пограничном слое за выступом с диффузорной щелью, которые существенно выше, чем в слое на плоской стенке. Установлено, что за выступом с конфузорной щелью рециркуляционная зона отсутствует, а за выступом со щелью постоянного сечения и диффузорной щелью она существенно короче (x/h < 2.5 и 5 соответственно), чем за сплошным выступом (x/h ≈ 8).

Работа выполнена при частичной поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 18-58-52005), Минобрнауки РФ (госзадание № 13.5521.2017/БЧ).

Список литературы

  1. Афанасьев В.Н., Веселкин В.Ю., Леонтьев А.И., Скибин А.П., Чудновский Я.П. Гидродинамика и теплообмен при обтекании одиночных углублений на исходно гладкой поверхности: Препринт № 2-91. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1991. 140 с.

  2. Бурцев С.А., Киселёв Н.А., Леонтьев А.И. Особенности исследования теплогидравлических характеристик рельефных поверхностей // ТВТ. 2014. Т. 52. № 6. С. 895.

  3. Afanasyev V.N., Chudnovsky Ya.P., Leontiev A.I., Roganov P.S. Turbulent Flow Friction and Heat Transfer Characteristics for Spherical Cavities on a Flat Plate // Exp. Therm. Fluid Sci. 1993. V. 7. P. 1.

  4. Leontiev A.I., Kiselev N.A., Burtsev S.A., Strongin M.M., Vinogradov Y.A. Experimental Investigation of Heat Transfer and Drag on Surfaces with Spherical Dimples // Exp. Therm. Fluid Sci. 2016. V. 79. P. 74.

  5. Афанасьев В.Н., Кон Д. Гидродинамика и теплообмен при обтекании прямоугольных выступов на исходно гладкой поверхности // Наука и образование. Электр. журн. 2017. № 4. https://doi.org/10.7463/0417.0000932

  6. Afanasiev V.N., Kong Dehai. Rectangular Ribs in Turbulent Boundary Layer on the Initially Smooth Surface // J. Phys.: Conf. Ser. 2017. V. 891. Paper 012140.

  7. Афанасьев В.Н., Трифонов В.Л., Гетя С.И., Кон Дехай. Выступ в турбулентном пограничном слое // Машиностроение и компьютерные технологии. 2017. № 10. http://www.technomagelpub.ru/jour/article/view/1312

  8. Fouladi F., Henshaw P., Ting D.S.-K., Steve Ray. Flat Plate Convection Heat Transfer Enhancement via a Square Rib // Int. J. Heat Mass Transfer. 2017. V. 104. P. 1202.

  9. Ларичкин В.В., Яковенко С.Н. Влияние толщины пограничного слоя на структуру пристенного течения с двумерным выступом // ПМТФ. 2003. Т. 44. № 3. С. 76.

  10. Калинин Э.К., Дрейцер Г.А., Ярхо С.А. Интенсификация теплообмена в каналах. М.: Машиностроение, 1990. 206 с.

  11. Теплообмен в дозвуковых отрывных потоках / Под ред. Терехова В.И. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2016. 247 с.

  12. Terekhov V.I., Yarygina N.I., Zhdanov R.F. Heat Transfer in Turbulent Separated Flows in the Presence of High Free-Stream Turbulence // Int. J. Heat Mass Transfer. 2003. V. 46. P. 4535.

  13. Smulsky Ya.I., Terekhov V.I., Yarygina N.I. Heat Transfer in Turbulent Separated Flow Behind a Rib on the Surface of Square Channel at Different Orientation Angles Relative to Flow Direction // Int. J. Heat Mass Transfer. 2012. V. 55. P. 726.

  14. Wang L., Sunden B. Experimental Investigation of Local Heat Transfer in a Square Duct with Various-Shaped Ribs // Heat Mass Transfer. 2007. V. 43. P. 759.

  15. Ligrani P. Heat Transfer Augmentation Technologies for Internal Cooling // Int. J. Rotating Mach. 2013. V. 2013. № 275 653. 32 p.

  16. Ji W.T., Jacobi A.M., He Y.L., Tao W.Q. Summary and Evaluation on Single-Phase Heat Transfer Enhancement Techniques of Liquid Laminar and Turbulent Pipe Flow // Int. J. Heat Mass Transfer. 2015. V. 88. P. 735.

  17. Молочников В.М., Михеев Н.И., Давлетшин И.А., Паерелий А.А. Гидродинамические и тепловые процессы в отрывных течениях за препятствиями при организации пристенных струй // Изв. РАН. Энергетика. 2008. № 1. С. 137.

  18. Nagano Y., Hattori H., Houra T. DNS of Velocity and Thermal fields in Turbulent Channel Flow with Transverse-Rib Roughness // Int. J. Heat Fluid Flow. 2004. V. 25. P. 393.

  19. Wang L., Salewski M., Sunden B. Turbulent Flow in a Ribbed Channel: Flow Structures in the Vicinity of a Rib // Exp. Therm. Fluid Sci. 2010. V. 34. P. 165.

  20. Panigrahi P.K., Schröder A., Kompenhan J. PIV Investigation of Flow Behind Surface Mounted Permeable Ribs // Exp. Fluids. 2006. V. 40. P. 277.

  21. Huang J.J., Liou T.M. Heat Transfer Augmentation in Rectangular Channel with Slit Rib-Turbulators on Two Opposite Walls // J. Turbomach. 1997. V. 119. P. 617.

  22. Huang J.J., Liou T.M. Augmented Heat Transfer in a Rectangular Channel with Permeable Ribs Mounted on the Wall // J. Heat Transfer. 1994. V. 116. P. 912.

  23. Tariq A., Panigrahi P.K., Muralidhar K. Flow and Heat Transfer in the Wake of a Surface-Mounted Rib with a Slit // Exp. Fluids. 2004. V. 37. P. 701.

  24. Liou T.M., Yang C.P., Lee H.L. LDV Measurements of Spatially Periodic Flows Over a Detached Solid-Rib Array // ASME J. Heat Transfer. 1997. V. 119. P. 383.

  25. Tisa J.P., Huang J.J. Measurements of Heat Transfer and Fluid Flow in a Rectangular Duct with Alternate Attached-Detached Rib-Arrays // Int. J. Heat Mass Transfer. 1999. V. 42. P. 2071.

  26. Liou T.M., Chen S.H. Turbulent Heat and Fluid Flow in a Passage Disturbed by Detached Perforated Ribs of Different Heights // Int. J. Heat Mass Transfer. 1998. V. 41. P. 1795.

  27. Ahn J., Lee J.S. Large Eddy Simulation of Flow and Heat Transfer on a Channel with a Detached Rib Array // Int. J. Heat Mass Transfer. 2010. V. 53. P. 445.

  28. Терехов В.И., Богатко Т.В. Структура отрывного течения и теплообмен при турбулентном обтекании отсоединенной диафрагмы в круглой трубе // Тепловые процессы в технике. 2015. Т. 7. № 2. С. 57.

  29. Liu H.C., Wang J.H. Numerical Investigation on Synthetical Performances of Fluid Flow and Heat Transfer of Semiattached Rib-Channels // Int. J. Heat Mass Transfer. 2011. V. 54. P. 575.

  30. Мигай В.К. Повышение эффективности теплообменников. Л.: Энергия, 1980. 144 с.

  31. Белов И.А., Исаев С.А., Коробков В.А. Задачи и методы расчета отрывных течений несжимаемой жидкости. Л.: Судостроение, 1989. 256 с.

  32. Исаев С.А., Ватин Н.И., Гувернюк С.В., Гагарин В.Г., Басок Б.И., Жукова Ю.В. Снижение лобового сопротивления энергоэффективного высотного сооружения с помощью дросселирующего эффекта с отбором ветровой энергии // ТВТ. 2015. Т. 53. № 6. С. 918.

  33. Афанасьев В.Н., Трифонов В.Л. Интенсификация теплоотдачи при вынужденной конвекции. М.: Изд-во МГТУ, 2007. 68 с.

  34. Jorgensen F.E. How to Measure Turbulence with Hot-Wire Anemometers – A Practical Guide. Skovlunde: Dantec Dynamics, 2002. 73 p.

  35. Moffat R.J. Describing the Uncertainties in Experimental Results // Exp. Therm. Fluid Sci. 1988. V. 1. P. 3.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Теплофизика высоких температур

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал