кнопка поиска  |   Ru  |  En

 Гидродинамика турбулентных отрывных течений и способы интенсификации теплообмена

в дискретно шероховатых каналах за счет нестационарных эффектов

   

На основе анализа результатов визуальных исследований составлены условные схемы кинематической структуры течения для характерных режимов отрыва пульсирующего потока и предлагается следующая классификация режимов.

 

Рисунок 1 - Структура пульсирующего потока за выступом:

1 – стационарный режим; 2f=0.5 Гц (Sh=f*XR/U=0.7), β=0.2; 3f=1.5 Гц (Sh=1.7), β=0.4;  4 f=3.0 Гц (Sh=3.4), β=0.4

 

1. Квазистационарный режим  (рис. 1 и 2, режим 1) включает и стационарное течение без наложенных пульсаций.

Хотя при этом режиме наблюдались периодические структуры в слое смешения, но при низких частотах (Sh<0.5) и амплитудах наложенных пульсаций расхода рабочей среды поток представлял собой как бы последовательность квазистационарных режимов течения (различной скорости) без образования каких бы то ни было дополнительных вихревых структур и изменения кинематической картины течения. Очевидно, в этих случаях влияние наложенных пульсаций ограничивалось воздействием лишь на турбулентность потока. Таким образом, определенную область вблизи стационарного режима Sh=0 и/или β=0 можно характеризовать как область квазистационарных режимов. При этих режимах размеры отрывной области и величины коэффициента теплоотдачи за препятствием близки к соответствующим стационарным значениям.

2. Низкочастотный режим (рис. 1 и 2, режим 2) характеризуется образованием вихревых структур за препятствием с вытянутой по потоку формой в виде эллипса и размерами, соизмеримыми с размером отрывной области (рис. 1 и 2, режим 2).

Переход от режима 1 к режиму 2 вызывается ростом частоты (Sh≥0.5) и/или амплитуды наложенных пульсаций. В отрывной области за препятствием начинают образовываться крупномасштабные вихревые структуры. Они имеют вытянутую по потоку форму высотой, примерно равной высоте препятствия h, и длиной порядка нескольких h. Угловые скорости вращения в вихрях небольшие. Вихри образуются в фазе ускорения потока и сносятся в основной поток в фазе замедления, довольно быстро разрушаясь при этом. После сноса картина течения представляет собой движение крупномасштабных структур («горбов»), следующих друг за другом вдоль стенки вниз по потоку. В этих режимах наблюдаются некоторое сокращение длины отрывной области и интенсификация теплоотдачи по сравнению со стационарным режимом.

3. Резонансный режим (рис. 1 и 2, режим 3) отличает формирование вихревых структур большой интенсивности, имеющих почти круглую форму. Размеры вихрей достигают двух высот выступа. При этом режиме время движения вихрей в пределах отрывной области близко к периоду пульсаций потока.

Особенностью режима является формирование наиболее интенсивных (с большими угловыми скоростями) крупномасштабных вихрей. Вихрь за препятствием образуется в фазе нарастания скорости потока. В конце формирования он достигает своего максимального размера. При этом вихрь касается непосредственно задней стенки препятствия и стенки канала вблизи препятствия. В фазе замедления вихри отрываются от препятствия, сносятся в основной поток и далее разрушаются. При определенном уровне амплитуд пульсаций наблюдается следующая картина течения: в конце фазы ускорения потока вихрь отрывается от кромки препятствия, несколько удаляется от препятствия и стенки, но потом происходит его резкое «проседание» к стенке канала, «удар» об стенку и отскок обратно в поток без заметного разрушения целостности. Поведение вихря в этом смысле напоминает движение упругого мяча у стенки. Наличие таких вихрей приводит к интенсивному массообмену между основным потоком и рециркуляционной областью, особенно в ближнем следе за препятствием.

Данный тип течений характеризуется значительным (до двух раз)  сокращением  длины отрывной области и значительной интенсификацией (до полутора раз) среднего теплообмена  за препятствием. При этом в ближнем следе за препятствием интенсификация теплоотдачи достигает пятикратного уровня. Данные эффекты, очевидно, являются следствием интенсивных обменов массой, импульсом и энергией в потоке образующимися вихревыми структурами.

4. Высокочастотный режим  (рис. 1 и 2, режим 4) характеризуется образованием сравнительно мелкомасштабных вихревых структур за отрывной кромкой препятствия. Вихри имеют размеры порядка высоты выступа и меньше.

При больших частотах наложенных пульсаций за отрывной кромкой препятствия образуется вихревая дорожка, вихри в которой также формируются и сносятся в поток с частотой наложенных пульсаций. Размеры вихрей уменьшаются с увеличением частоты пульсаций. Угловые скорости в вихрях являются довольно значительными. В процессе формирования, отрыва и сноса в поток вихри не достигают стенки канала – сразу после отрыва от кромки препятствия они движутся с некоторым удалением от стенки. Таким образом, вихревая дорожка в некоторой степени локализуется в слое смешения.

По сравнению с течениями предыдущего 3-го типа данный тип течений характеризуется некоторым возвратом длины отрывной области к стационарным величинам, т.е. с увеличением частоты (уменьшением амплитуды) пульсаций происходит ее рост. Также наблюдается меньшая интенсификация теплоотдачи. 

Рис. 2. Схемы структуры пульсирующего отрывного течения

 

Составлена карта режимов отрыва пульсирующего потока (рис. 3). Она представляет собой разграничение типов течений в плоскости частоты Sh и амплитуды β наложенных пульсаций.

Рис. 3. Карта режимов пульсирующего отрывного течения




Установлено, что  распределение осредненного по времени статического давления в пульсирующем потоке мало отличается от распределения в стационарном потоке.




Показан рост величины максимума коэффициента теплоотдачи (вблизи точки присоединения) на пульсирующих режимах до 40% по сравнению со стационарным режимом. Выявлен эффект существенного увеличения теплоотдачи непосредственно за диафрагмой. На некоторых режимах он достигал пятикратного уровня. Рост теплоотдачи  за препятствием наблюдался во всей отрывной области – вплоть до сечения  х~12h  (х – координата; h=(D-d0)/2высота препятствия). При этом интегральный эффект интенсификации теплоотдачи достигал 60% относительно стационарного режима. Характерные распределения числа Стантона St=a/crU (a - коэффициент теплоотдачи; c и r теплоемкость и плотность воздуха) при различных частотах наложенных пульсаций потока приведены на рисунке 4. 

Рис. 4.  Коэффициент теплоотдачи в отрывной области за диафрагмой d0=40 мм при U=4.6 м/c  и  β=0.5 


Необходимо отметить, что эффект интенсификации теплоотдачи имел место при обтекании препятствий малого размера по отношению к диаметру канала, которые создавали небольшую степень загромождения (d0/D≥40/64), т.е. в случаях, близких к отрыву в безграничном потоке. При уменьшении диаметра диафрагмы (увеличении h/D) интенсификация теплоотдачи уменьшалась или вовсе исчезала.




Выявлен эффект резкого уменьшения размера отрывной области в зависимости от частоты наложенных пульсаций расхода газа (рис. 5). При этом минимальные значения длины отрывной области были достигнуты при Sh≈1, т.е. наибольший эффект от наложенных пульсаций достигался при совпадении пути, пройденного газом за период наложенных пульсаций скорости потока, с длиной отрывной области. Очевидно, при этих условиях достигался наибольший массообмен между отрывной областью и основным потоком, что и приводило к существенному уменьшению длины (в полтора-два раза) отрывной области.  Сокращение длины отрывной области было отмечено при различных условиях: при расположении диафрагмы в пучности колебаний скорости и в пучности колебаний давления.

Рис. 5. Длина отрывной области за диафрагмой d0=40 мм в пучностях колебаний скорости (13) и давления (46): 1,4U= 4.6 м/с; 2,5U=8.4 м/с; 3,6U=17.8 м/с



Анализ результатов тепловых и гидродинамических экспериментов показал согласование изменения размеров отрывной области с интенсификацией теплообмена: прирост теплоотдачи тем значительнее, чем меньше длина отрывной области.

Эффекты интенсификации теплообмена и сокращения длины отрывной области наблюдались при обтекании препятствий малого размера. С ростом высоты препятствия (уменьшением диаметра диафрагмы) влияние наложенных пульсаций на размеры отрывной области уменьшалось или вовсе не отмечалось.