Автореферат (Повышение эффективности пластинчатых теплоутилизаторов посредством интенсификации теплообмена на поверхности с овальными лунками), страница 2

Исследования проведены при разных скоростях набегающего потока, для 3-х типов овальных лунок, представленных на рис.2 и расположенных под углом 45° к набегающему потоку. Каждый тип лунки имеетследующую площадь поверхности теплообмена: мелкая лунка - Fм.л=0,000487м2; средняя лунка - Fс.л=0,000944 м2; глубокая лунка - Fг.л=0,001256 м2.а)б)в)Рисунок 2 – Параметры овальных лунок с острыми кромками:а – глубокая, б – средняя, в – мелкаяС помощью детальной раскадровки процесса вихреобразования полученавизуальная картина распределения скоростей внутри лунки, а также рассчитанавеличина расхода истекающего из лунки в ядро потока (см. табл. 1 и рис.

2).Таблица 1 – Расходы истекающего воздуха из средней лунки при разных скоростяхнабегающего потокаСкорость, vо, м/с0,941,581,942,642,973,75Количество кадров, шт.30501510137Время, τи, с1,220,60,40,520,28Расход, Lи, м3/с3,28E-061,97E-066,55E-069,83E-067,56E-061,40E-05Метод определения времени истечения состоит в последовательном выполнении следующих шагов:- с помощью цифровой видеокамеры и дыма, используемого для визуализации процесса, проводится съемка вихреобразования в овальной лунке;- осуществляется раскадровка результата видеосъемки от момента остановки подачи дыма в лунку до момента полного её очищения от дыма;8- по количеству кадров и скорости съемки (24 кадра в секунду) определяется время очищения ОЛ от дыма и соответственно расход воздуха, истекающегоиз лунки.Отметим, что в экспериментах скорости набегающего потока соответствовали диапазону скоростей (110 м/с), типичных для реальных пластинчатыхвоздухо-воздушных теплообменников.

Поскольку результаты расчетов, приведенные в главе 3, показали наибольшую эффективность средней лунки, поэтому здесь приведены результаты только для неё.На основании визуальных наблюдений построена общая картина поведения потока внутри лунки.

Правильность картины (рис. 3) проверена построением в программе PHOENICS аэродинамической модели с одной лункой, аналогичной по геометрическим характеристикам той, на которой производился эксперимент. Из рис. 3 видно, что срыв потока происходит только с дальнего походу потока края лунки.а)Рисунок 3 – Качественная интерпретация визуализации потоков в верхнем (а), нижнем (б)и центральном (в) слоях овальной лункиЭксперименты по определению температурного поля в лунке. Цель эксперимента – получение данных для дальнейшего расчета величины тепловогопотока, передающегося из лунки в канал.Эксперименты проводились на указанной ранее установке (рис.1).

Нагрев нижней стенкипрямоугольного канала, в центре которой располагалась ОЛ, осуществлялся электрическимнагревателем. Измерение температуры этойстенки производилось тепловизором Иртис-200.С помощью полученных данных и картины распределения скоростей внутри ОЛ рассчитансредний коэффициент теплоотдачи от её поверхности и определена величина теплового потока,передаваемого в ядро основного потока, при выносе вихря из ОЛ. Температурное поле поверхности с ОЛ определялось при тех же режимах,что и визуализация вихреобразования.

На рис.4Рисунок 4 – Температурное полепредставлена термограмма одного из режимовповерхности с овальной лункойобтекания воздухом нижней стенки канала.при скорости потока 3,19 м/с9Анализ полученных снимков приводит к следующим выводам:- для всех скоростей и для всех типов лунок характерна область более низкой температуры на крайнем левом участке лунки, что говорит о повышеннойинтенсивности вихря в данной области;- область срыва потока слабо выделяется на общем фоне (на ряде снимковвидно небольшое понижение температуры поверхности в области срыва потока), поэтому влияние лунки на общую аэродинамику потока минимально.Физическая модель процесса в овальной лунке. Для расчёта поля скоростей внутри одиночной лунки применялась физическая модель, основанная намодели турбулентного течения Прандтля с учётом взаимодействия основногопотока с теплоносителем, находящимся в лунке.

При этом использовались следующие предположения:- взаимодействие основного потока с теплоносителем, находящимся в лунке, носит исключительно вытесняющий характер (пренебрегаем сжимаемостьювоздуха в лунке);- взаимодействует с теплоносителем, находящимся в лунке, только турбулентный пограничный слой основного потока.Последнее предположение является вполне законным в условиях моделиПрандтля, так как случайные турбулентные пульсации происходят, согласноэтой модели турбулентности, только в ядре турбулентного пограничного слоя.При выводе уравнения, описывающего процесс взаимодействия основногопотока в канале с воздухом в лунке, использован логарифмический закон распределения скоростей:(1)u u0   1  ln zu0  возд   С .Рисунок 5 - Схема взаимодействия основногопотока с произвольным дифференциальнымобъемом в лункеЗдесь z – расчётная пространственнаякоордината в вертикальном направлении (см. рис.5), м; =0,4 – универсальная постоянная; С=5,5– постоянная, определяемая из эксперимента;νвозд – кинематическая вязкость воздуха, м2/с; u – искомая скорость воздуха в расчётной координате, м/с; u0– динамическая скорость, м/с.На основании данной схемы и уравнения (1) составлено дифференциальноеуравнение взаимодействия основного потока с воздухом в лунке: 10,4  uz  uoou  cos 45  dx  dz   uo  ln 5,5  uo dx  dz    dx  dz0,4v 5,5  ln z  u vвоздo возд(2)Левое часть уравнения (2) - это импульс дифференциального объёма основного потока, который взаимодействует с воздухом в лунке за счёт случайныхтурбулентных пульсаций.

Наличие cos(450) определяет угол наклона оси лунки10по отношению к направлению потока. Первое слагаемое правой части уравнения - это импульс анализируемого объёма воздуха в лунке, равный произведению скорости, определяемой логарифмическим законом (1), на массу объёма.Второе слагаемое - это импульс объёма воздуха, находящийся под анализируемым объёмом воздуха, равный произведению скорости, определяемой обратным логарифмическим законом (3), на массу объёма.

Допустимость применения обратного логарифмического закона обусловлена характером движения побудителя. Прямой логарифмический закон допустим к применению для движения вдоль плоской пластины, когда побудитель движения находится сверхупластины. В нашем случае при отражении потока от дальней по ходу потокастенки лунки побудитель движения находится внизу лунки в пристенной области, поэтому имеем:u0 u  1 χ  ln zu0 νвозд   С .(3)Из выражения (2) можно вывести уравнение скорости в зависимости от координаты внутри лунки. Для этого проинтегрируем уравнение по обеим частямот «0» до «z».

Перед интегрированием второго слагаемого в правой части (2)произведем разложение функции в ряд Тэйлора. В результате будем иметь:u  z ln o  z  ln z  z  2,2  z dx vвозд  uu 0,4  uo   ln  z  ln o  1,8   ln  ln o  1,8  dx.vвозд vвозд z  u  cos 45 dx 1 uo0,4(4)Используя уравнение (4), возможно сделать расчёт поля скоростей в дальнейпо ходу движения потока половине лунки отдельно для каждой координаты«х».

В качестве исходных данных берутся скорости u0 и vв. Последняя определяется как среднее значение между скоростью основного потока и скоростью ввязком подслое, которая равна примерно половине скорости основного потока.Динамическая скорость (u0) предварительнорассчитывается для каждой координаты «x» (см.рис. 5), при этом в (4) в качестве z используетсязначение глубины лунки для каждого элементарного участка, а вместо u используется vв.Для определения поля скоростей во второй(ближней по ходу потока) части ОЛ использовались векторные построения (рис. 6), составленные на основе визуальной картины взаимодействия потоков внутри лунки (рис. 3).На векторной диаграмме (рис. 6) изображеновзаимное положение векторов импульсов в точРисунок 6 - Векторная диаграммаке срыва потока с края ОЛ (наиболее удалённаяимпульсов внутри лункипо ходу потока часть лунки).

Используемые нарисунке обозначения таковы:11Pвых – импульс потока, истекающего из лунки; Pповт – импульс потока, уходящего в вихрь внутри лунки; Pотр – импульс потока, отраженного от дальней стенкилунки; Pвстреч – импульс потока, попадающего в лунку и взаимодействующего сотраженным потоком в дальней по ходу основного потока части лунки.Таким образом, имеем следующую систему уравнений:Pотр  Pповт  Pвых  Pвстреч  v1 воздVл ,(5)Pотр  Pвстреч  Pвых  Pповт ,(6)(7)Pвстреч  vт  воздVвзаим,где v1, vт – средние скорости движения теплоносителя в ОЛ и в буферной зонеосновного потока, м/с; Vвзаим –взаимодействующий объём буферной зоны с теплоносителем находящимся в объёме ОЛ (Vл), м3; ρвозд –плотность воздуха, кг/м3.Уравнения (5) и (6) описывают истекающий из лунки поток теплоносителяи уходящий в вихрь (внутри лунки) поток, которые образуются за счёт взаимодействия отражённого потока и потока, попадающего в удалённую (по ходуобщего потока) часть лунки.

Поэтому, составив систему уравнений проекцийвекторов импульсов на оси ОX и ОY, можно вычислить импульсы вихреобразующего и исходящего из лунки потоков.После определения импульса и, как следствие, скорости исходящего излунки потока, а также поля скоростей в ближней по ходу потока части лунки,проверяется адекватность принятой физической модели по результатам расчётов в системе PHOENICS.Для того, чтобы применить данный алгоритм к решению задачи, использованы следующие соображения:- лунка разбивается на два расчётных участка по продольной оси симметрии;- поскольку известна только температура поверхности лунки и температураприлуночной области, для вычисления среднемассовой температуры (по сечению) принимается линейное распределение температуры от поверхности лункидо температуры поступающего в лунку воздуха;- расчёт среднемассовых температур для всех расчётных участков и скоростей набегающего потока выполняется по формулеitср.

м.  U iTi0iUi,(8)0где i – количество элементарных участков по осям x и z, полученных при разбиении; T, U – температура и скорость элементарного участка.В табл. 2 приведены данные по скорости набегающего потока и среднемассовой температуре воздуха в лунке.На основании полученных данных по формуле (9) вычисляется тепловойпоток, передающийся из лунки в ядро потока:Qвихрь  Gи с pв (tвх  tвых ),(9)12где Gи – расход воздуха, истекающего из ОЛ; Cpв – удельная теплоёмкость воздуха; tвх – температура воздуха, входящего в ОЛ; tвых – температура исходящегоиз ОЛ воздуха.Таблица 2 - Значения среднемассовых температур воздуха внутри средней лункиСкорость набегающегопотока, м/с0,941,581,942,642,973,75Среднемассовая температуравоздуха внутри лунки t ср .

м , С46,3246,6546,3145,9645,6144,59Величина tвых определяется из равенства отношений импульсов и разностейтемператур:Pотр Pвстреч  tср. м  tвых  tвых  tвх   tвых  Pотр Pвстреч tвх  tср. м PотрPвстреч  1 . (10)В табл. 3 представлены данные, полученные для средней лунки, обладающей наибольшей тепловой эффективностью среди рассмотренных лунок.Таблица 3 - Значения теплового потока, передающегося из средней лунки в ядро потока с истекающим из неё вихремСкоростьнабегающегопотока, м/сОтношениеимпульсовPотр Pвстреч0,941,581,942,642,973,7528,8889,9132,1129,6343,0728,78ПередающийсяВходная темпеВыходнаяратура потокатемпература тепловой потокпотока t вых , °СQвихрь , кВтt вх , °СРисунок 7 - Трек частицы в лунке38,7038,4538,2538,1037,9037,2038,9638,5438,4938,3638,0737,451,05E-062,23E-072,01E-063,18E-061,66E-064,39E-06Проверка адекватности физическоймодели проводится путём сравнения результатов расчёта, полученных с её помощью, с результатамимоделированиявпрограммеPHOENICS.

На рис. 7 представленакартина движения частиц внутрисредней лунки. Направление потока- к наблюдателю. Видно, что, как ив предложенной физической модели, все частицы попадают в лункуиз пристенной области потока, авыброс всех частиц наблюдается с13дальней по ходу потока части лунки. Также отчетливо виден спиралевидныйхарактер движения частицы, что свидетельствует о наличии перемещения частиц в вертикальных плоскостях.Сравнение скоростей потока, направленного вдоль большой оси симметриилунки, указывает на совпадение по порядку величин в большинстве случаев,что позволяет сделать вывод об адекватности физической модели и пригодности её для дальнейших расчётов овальных лунок.Поэтому, полученные при различных скоростях течения теплоносителя значения тепловых выбросов из лунки в ядро потока, а также аэродинамическиехарактеристики потока на выходе из лунки, использованы при разработке впрограмме PHOENICS модели теплообмена, основанной на «источниковомподходе», согласно которому каждая лунка - это источник теплового выброса.В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований теплообмена на поверхности с лунками в виде ШС.