Диссертация (Повышение вибропрочности трубных пучков теплообменных аппаратов при гидроупругом возбуждении колебаний), страница 3

Образующийся тонкий слойтекущей жидкости на поверхности именуется пограничным слоем или слоемтрения. За толщину пограничного слоя принимается такое расстояние отстенки, на котором скорость внешнего потока отличается на 1% от скороститечения.Рисунок 1.2. Схема отрыва вихревой пелены от одиночного цилиндра [17]Главным критерием, от которого должна зависеть картина обтекания,является число Рейнольдса Re = 2Ur0/ (U - скорость потока на бесконечности,15r0 – радиус цилиндра,- кинематическая вязкость жидкости). Приведемопытные данные влияния числа Re на картину обтекания. Безразмерная частотасрыва вихрей с кругового цилиндра характеризуется числом СтрухаляSh= fs2r0 /U(fs – частота схода вихрей).Схема обтекания трубы изменяется из-за наличия в потоке реальнойжидкости пограничных слоев. Именно от гидродинамических условийразвития этих слоевзависят значения скоростей и давлений в остальныхобластях.

Толщина ламинарного пограничного слоя,появляющегося вначальный момент натекания жидкости на трубу, зависит от вязкостижидкости,скоростипотокаиувеличиваетсявдольпотечению.Рассматриваемый пограничный слой отрывается при α = 820, после чегопроисходит образование вихрей, которые в зависимости от значения Re либоостаются в кормовой части трубы, либо периодически отрываются и уносятсянабегающим потоком. В зависимости от значений Reможно выделитьнесколько режимов течения.При Re<5 инерционные силы меньше сил вязкости и труба обтекаетсяплавно, вся поверхность трубы огибается линиями тока, а отделение потока отнее начинается от поверхности трубы в кормовой ее точке.

Происходитпотенциальное обтекание трубы с симметричным распределением давления поее поверхности.При Re>5 линии тока за трубой начинают расходиться, происходитотрыв ламинарного пограничного слоя, а за трубой образуются два постоянноциркулирующихсимметричныхвихря(Рисунок1.2).Этивихриограничиваются нулевыми линиями тока, являющимися за точкой отрывапограничного слоя его продолжением.

В данном случае течение в следеламинарное и устойчивое. С дальнейшим увеличением числа Re (Re> 40)течение в следе становится неустойчивым, и вихри начинают отрываться отповерхности трубы (Рисунок 1.3). Вначале отрывается один вихрь, чтовызывает асимметрию в следе, которая приводит к отрыву второго вихря.

Этотпроцесс продолжается постоянно. Дорожка Кармана (образованный таким16образом вихревой след) является ламинарной и неразрывной на достаточнобольшом расстоянии от трубы.Далее след становится полностью турбулентным. До наступлениякритического режима обтекания(Re = 2 105), характеризующегося резкимуменьшением сопротивления давления и последующим его увеличением, такоетечение сохраняется в следе.При критических Re в зоне резкого смещения области, где пограничныйслой отрывается ниже по течению, отмечается нарушение регулярности отрывавихрей от поверхности трубы.В сверхкритической области обтекания турбулентный пограничныйслой отрывается в зоне α = 1400. В некоторых работах (к примеру, в [17, 18])этот процесс наблюдается при α = 1200.Анализируя появление таких областей из идеальных свободныхвихревых линий, Карман установил, что они невосприимчивы по отношению кмалым отклонениям в положении вихрей лишь в случае, когда d/L=0,28.

ЗдесьL - шаг между вихрями в каждом ряду, d - расстояние между рядами вихрей сразной циркуляцией. Вихри, показанные на Рисунке 1.3 действительнорасполагаются более или менее таким образом.Рисунок 1.3. Визуализация дорожки Кармана за одним и двумя цилиндрамиМногочисленные экспериментальные исследования [18, 88] показали(Рисунок 1.4), что число Sh остается примерно постоянным и равным 0,2, вобласти чисел Re от 300 до 2 105 (нижний предел критического значения).

При17последующем увеличении числа Re число Sh начинает возрастать. Но когдаRe становится выше, чем 3,3 105 и достигается сверхкритическаячислообласть,пограничныйслойоказываетсяполностьютурбулентным,регулярного срыва вихрей при этом не происходит. Такая исключительнаяситуация имеет место лишь при числах Re, не превышающих 3,5 106 . Послепревышения указанного значения дорожка Кармана может образовыватьсявновь, причем значение числа Струхаля в этой так называемой закритическойобласти составляет Sh = 0,27-0,30.Рисунок 1.4. Зависимость безразмерной частоты срыва вихрей Sh от числа Reдля трубы круглого поперечного сечения [22]Координата точек отрыва потока на цилиндре также связана созначением числа Re.

Точка отрыва располагается при α = 800 – 850 дляинтервала 103<Re<105, когда происходит срыв ламинарного слоя (Рисунок 1.5).При числах Re> 2 105 пограничный слой становится турбулентным. Точкаотрыва в таком случае внезапно сдвигается вниз по потоку к α=1100–1300вследствие более устойчивого состояния слоя. Это явление и вызывает кризиссопротивления.18Экспериментально показано, что на неподвижном цилиндре дляRe = const изменения положения точки отрыва не происходит [120].

Этоутверждается также в [87] со ссылкой на другие источники.На Рисунке 1.5 приведены экспериментальные результаты длязависимости угловой координатыα точек отрыва на цилиндре в вязкойжидкости от чисел Re [17].Рисунок 1.5. Зависимость угловой координатыточек отрыва на круговомцилиндре в вязкой жидкости от числа Re [17]Отрыв вихрей происходит попеременно, то с одной, то с другойстороны цилиндра, что приводит к периодическому изменению давления наего поверхности, то есть к образованию периодически меняющейся понаправлению и значению гидродинамической силе.

В гидромеханике приняторазлагать эту силу по направлению потока (лобовое сопротивление,) и поперек потока (подъемная сила,плотность жидкости,). Здесь- коэффициент силы лобового сопротивления,–коэффициент подъемной силы. Частота подъемной силы равна частоте срывавихрей. Существует также пульсационная компонента силы сопротивления,однако ее интенсивность на порядок меньше интенсивности подъемной силы.Частота пульсационной силы сопротивления вдвое превышает частотуподъемной силы. Хотя в целом картина является периодической, на нее,однако, накладываются относительно мелкие случайные турбулентныепульсации с широким спектром частот.19Кроме числа Re на картину обтекания влияет степень шероховатостицилиндра и степень турбулентности потока. Наличие на поверхностинебольшойшероховатостиявляетсяпричинойпереходаламинарногопограничного слоя в турбулентный на более ранней стадии.

Поэтому для тел,имеющихпоперечныесечениясплавнымиочертаниями,увеличениешероховатости влечет за собой смещение кризиса сопротивления в сторонуменьших чисел Re. При шероховатой поверхности падение сопротивления взоне кризиса сопротивления значительно меньше, чем при гладкой, а заметноеповышение коэффициента силы лобового сопротивления Сх происходит призначениях чисел Re выше критического.Увеличение турбулентности потока цилиндра влияет на процессобтекания цилиндра аналогично увеличению шероховатости поверхности –кризис обтекания сдвигается на меньшие числа Re.Экспериментальные зависимости чисел Sh, полученные различнымиавторами, согласуются между собой достаточно хорошо лишь в диапазонедокритических чисел Re (Рисунок 1.4). Однако в диапазоне сверхкритическихчисел Re опытные данные имеют значительный разброс вследствие различиястепенишероховатостиповерхностицилиндраихарактераразвитиятурбулентного течения.

Для этой группы кривых [17] можно провести две,представляющие предельные случаи: одну кривую для идеального случая(очень низкийуровень турбулентности внешнего течения и гладкаяповерхность цилиндра) и другую для неидеального, обычно встречающегося напрактикеслучая(Рисунок1.4).Аналогичносоответствующие кривые для СX (Рисунок 1.6).можнопостроитьдве20Рисунок 1.6. Зависимость коэффициента силы лобового сопротивления отчисла Re для одиночного цилиндра. Экспериментальные данные [22]1.2. Поведение потока при обтекании конструкции теплообменногооборудованияНеобходиморассмотренныхотметить,чтомеханизмымногокомпонентныхсрывногогидроупругихобтеканиясистемимеетпринципиальные отличия от механизмов срывного обтекания одиночногоцилиндра.

Например, в работе [58] приводятся результаты расчетовнестационарных гидродинамических сил и характеристик течения дляотрывного обтекания ряда труб, которые отличаются от соответствующихпараметров, полученных при исследовании обтекания одиночного цилиндра.Жидкий теплоноситель при движении между элементами теплообменногооборудования создает гидродинамическую связь их колебаний. На сколькоплотнее сосредоточены упругие элементы друг относительно друга, на столькобольшебудетпроявлятьсяуказаннаявзаимосвязь.Условиятесногорасположения деталей энергетических установок, встречающихся на практике,приводят к чрезвычайно сильному воздействию жидкого теплоносителя нахарактеристики упругих элементов, которые обтекаются потоком этоготеплоносителя.