Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проблема описания структуры ламинарных отрывных течений 7
Глава 2. Экспериментальное оборудование и методика исследований 40
2.1. Экспериментальная установка 40
2.2. Рабочий участок, объекты исследования и условия проведения экспериментов 43
2.3. Методика проведения исследований и средства измерения 46
Глава 3. Визуализация течения в канале с единичным препятствием и системой препятствий 59
3.1. Обтекание единичного препятствия 59
3.2. Обтекание системы двух препятствий 67
Глава 4. Термоанемометрические измерения параметров течения за выступом и системой из двух выступов . 85
4.1. Параметры течения в канале за единичным выступом 85
4.2. Параметры течения в канале за системой из двух выступов 100
Глава 5. Структура потока за выступом в канале на основе PIV-измерений мгновенных полей скорости 107
Заключение 117
Литература 118
- Проблема описания структуры ламинарных отрывных течений
- Рабочий участок, объекты исследования и условия проведения экспериментов
- Обтекание системы двух препятствий
- Параметры течения в канале за системой из двух выступов
Введение к работе
В последние годы наблюдается существенный рост тепловой нагрузки на элементы энергетического оборудования и аппаратуры различного назначения. Кроме того, наметилась тенденция к снижению габаритов теплообменных аппаратов и появилась потребность в компактных и ультракомпактных теплообменниках для охлаждения элементов электроники, радарных устройств, лопаток турбин и т.д. Одновременно становятся более жесткими требования к обеспечению температурного режима работы соответствующих агрегатов и устройств. В этих условиях особенно важными становятся вопросы интенсификации теплообмена, в том числе в каналах малого гидравлического диаметра, в которых чаще всего реализуется ламинарный и (или) переходный режимы течения теплоносителя. Именно на этих режимах использование интенсификаторов теплообмена наиболее эффективно (А.И.Леонтьев, Ю.Ф.Гортышов, В.В.Олимпиев, И.А.Попов, P.M.Ligrani, В.И.Терехов, X.J.Wei, и др.). Наибольший прирост теплоотдачи по отношению к увеличению затрат энергии на прокачку при номинально ламинарном течении теплоносителя получен для каналов с элементами дискретной шероховатости в виде поперечных выступов. Данные об интенсификации теплообмена в таких каналах основаны, главным образом, на изучении их интегральных характеристик. Детальных исследований пространственно временной структуры течения в каналах с элементами дискретной шероховатости явно недостаточно.
Обтекание элементов дискретной шероховатости, сопровождается, как правило, отрывом потока, который при некотором сочетании режимных параметров может инициировать более ранний переход к турбулентному режиму течения в канале. Именно с турбулизацией потока многие исследователи связывают существенную интенсификацию теплообмена в дискретно-шероховатых каналах. Изучению проблемы ламинарно-турбулентного перехода в отрывных течениях посвящено значительное количество исследований (А.В.Довгаль, В.В.Козлов, Б.Ю.Занин, А.М.Сорокин, А.В.Бойко, B.F.Armaly, C.P.Haggmark и др.), однако многое на сегодняшний день остается невыясненным. В литературе практически отсутствуют данные о влиянии формы, размеров и взаимного положения
элементов дискретной шероховатости на положение границ ламинарно-турбулентного перехода, о характеристиках потока в переходной области, последствиях переходных процессов с позиций эффективности теплообмена. Неясно, при каких условиях происходит ламинарно-турбулентный переход в пределах отрывной области, а при каких — ниже точки присоединения потока, и какое влияние оказывают эти явления на основную область течения в интенсифицированных каналах. Крайне мало результатов исследований динамики поведения областей отрыва потока за интенсификаторами теплообмена различной формы на ламинарном и переходном режимах течения, практически отсутствуют результаты визуализации потока в этих условиях. Нет данных о критических значениях параметров подобия, при которых элементы дискретной шероховатости инициируют неустойчивость ламинарного течения и переход к турбулентному режиму.
Таким образом, экспериментальное изучение пространственно-временной структуры потока, систематизация полученной информации и выявление физических механизмов, приводящих к интенсификации теплообмена в каналах с элементами дискретной шероховатости на номинально ламинарном режиме течения, является на сегодняшний день весьма актуальной задачей.
Несмотря на очевидный прогресс в развитии методов моделирования /
сложных течений, наиболее плодотворным является комплексный подход к решению этой задачи, включающий визуализацию потока в сочетании с комбинированными количественными измерениями на основе современных методов и средств диагностики.
Цель работы — развитие научных представлений о гидродинамических процессах в каналах с элементами дискретной шероховатости на ламинарном и переходном режимах течения на основе детального экспериментального исследования пространственно-временной структуры потока.
Научная новизна.
Создана оригинальная экспериментальная установка, позволяющая выполнять комплексные исследования структуры потока в каналах с элементами дискретной шероховатости при номинально ламинарном режиме течения в широком диапазоне чисел Рейнольдса.
На основе экспериментальных исследований, включающих визуализацию течения, термоанемометрические измерения параметров
потока и PIV-измерения мгновенных векторных полей скорости потока выявлены особенности пространственно временной и вихревой структуры потока за выступом и системой выступов на ламинарном и переходном режиме течения.
Обнаружен ячеистый характер течения в рециркуляционных областях с наличием зон движения в трансверсальном направлении. Установлен диапазон чисел Рейнольдса, в котором наблюдается существенное искривление средней линии присоединения потока по ширине канала.
Выявлены закономерности изменения осредненных характеристик течения в исследуемом диапазоне чисел Рейнольдса: продольного размера рециркуляционной области, интегрального временного масштаба вихревых структур.
Определены критические значения чисел Рейнольдса, при которых отрыв потока за элементами дискретной шероховатости вызывают потерю устойчивости и переход к турбулентному режиму течения в канале. Показано влияние на этот параметр взаимного положения выступов.
Практическая значимость.
Полученные результаты позволяют глубже понять физические механизмы, приводящие к интенсификации теплообмена в дискретно шероховатых каналах на номинально ламинарном режиме течения за счет турбулизации потока и установить режимные параметры, определяющие границы этих явлений. Они дают возможность более обосновано подходить к выбору параметров элементов дискретной шероховатости и содержат информацию, необходимую для верификации методов моделирования течения и теплообмена в таких каналах и определения границ их применения.
Основные результаты работы вошли в отчеты по грантам Президента РФ (НШ-8574.2006.8; НШ-4334.2008.8), РФФИ (05-02-16263; 07-08-00330;), по контракту с ФАНИ (№02.516.11.6025), по аналитической ведомственной целевой программы Минобрнауки ("Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 годы)").
На защиту выносится:
1. Экспериментальная установка для комплексного исследования пространственно-временной структуры течения в дискретно шероховатых каналах на ламинарном и переходном режимах течения.
Результаты комплексных экспериментальных исследований течения в канале с элементами дискретной шероховатости на номинально ламинарном режиме ' течения, включающих визуализацию течения, термоанемометрические измерения параметров потока и PIV-измерения мгновенных векторных полей скорости потока.
Экспериментальные данные о пространственно-временной и вихревой структуре потока за выступом и системой выступов в канале, включая наличие ячеистого характера течения в рециркуляционной области и формирование крупномасштабных вихревых структур при потере устойчивости оторвавшегося сдвигового слоя, в том числе при варьировании взаимного положения препятствий, а также данные о пространственных временных масштабах течения.
Результаты определения критических значений числа Рейнольдса, при котором в канале с элементами дискретной шероховатости начинается более ранний по сравнению с гладким каналом переход к турбулентному режиму течения и влияния на эти эффекты размеров и взаимного положения препятствий.
Личный вклад автора.
Автором спроектирована и изготовлена специализированная экспериментальная установка для проведения исследований, разработано устройство визуализации течения, освоены и апробированы методы термоанемометрических измерений и техника PIV. Им проведены все экспериментальные исследования, обработаны и совместно с научным руководителем, д.т.н. В.М.Молочниковым проанализированы и обобщены результаты исследований.
Основные результаты диссертационной работы докладывались' и обсуждались на 4-х международных форумах и конференциях (г.г.Минск, Новосибирск, Евпатория), на 2-х Всероссийских конференциях (г.г.Казань, Санкт-Петербург), на семинарах и конференциях в КазНЦ РАН и КГТУ им. А.Н.Туполева (г. Казань).
Автор имеет 12 научных трудов. Основные результаты диссертации опубликованы в 9 работах [25-31, 36, 57], в том числе 3 - в журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных результатов диссертаций [25, 26, 28], а также в трудах международных симпозиумов и конференций [27, 29-31, 36, 57].
Проблема описания структуры ламинарных отрывных течений
В большинстве случаев интенсификация теплообмена между теплоносителем и теплообменной поверхностью обеспечивается частичным или полным разрушением пограничного слоя вблизи этой поверхности и существенной турбулизацией течения. Подобные эффекты достигаются организацией областей отрыва и присоединения потока, увеличением относительной скорости течения вблизи стенки, генерацией в потоке пульсаций давления и другими способами воздействия на пристенную структуру течения. Относительно простым решением этой задачи является размещение на теплообменной поверхности элементов дискретной шероховатости, при обтекании которых происходит отрыв потока. Использование интенсификаторов теплообмена наиболее эффективно при ламинарном режиме течения теплоносителя. Сопоставление различных типов интенсификаторов теплообмена, приведенное в монографии Ю.Г.Назмеева [33], свидетельствует, что прирост коэффициента теплоотдачи в каналах для большинства типов элементов дискретной шероховатости наблюдается в диапазоне чисел Рейнольдса Re = (1,5...5)х105, т.е. на ламинарном и переходном режимах течения, и может достигать 3,5 (по сравнению с гладким каналом) и (рис. 1.1).
Систематизация характеристик обширного ряда интенсификаторов теплообмена различной формы и обобщение полученной информации [5, 22,] также показали, что именно при номинально ламинарном течении в интенсифицированных каналах удается добиться наиболее существенного увеличения коэффициента теплоотдачи. Оценка эффективности каналов с интенсификаторами теплообмена в [5, 22] выполнялась с использованием относительной формы универсального критерия М.В.Кирпичева, учитывающего не только прирост теплоотдачи в интенсифицированных каналах, но и затраты энергии на прокачку теплоносителя, т.е. увеличение гидравлического сопротивления каналов за счет элементов дискретной шероховатости: E = E /E a где E = QI NAt; E - энергетические коэффициенты интенсифицированного и гладкостенного канала; Q - количество снимаемого тепла; N— мощность, затрачиваемая на прокачку теплоносителя; At - температурный напор между стенкой и теплоносителем. Значение Е для ламинарного течения в интенсифицированных каналах достигает 2...3,7 (рис. 1.2), тогда как для турбулентного не превышает значения 1,08... 1,26 (рис. 1.3).
Отметим, что из приведенного на рис. 1.2 анализа следует, что наибольшее значение критерия Кирпичева при номинально ламинарном режиме течения теплоносителя наблюдается при использовании интенсификаторов теплообмена в виде поперечных выступов.
Расчет приведенных на рис. 1.2 значений Е для интенсифицированных каналов проводился на основе уравнений подобия, полученных опытным путем [22] и справедливых лишь в ограниченном диапазоне геометрических параметров интенсификаторов, свойств 10 15 KtW J
Сопоставление опытных данных по теплоотдаче в трубах с интенсификаторами теплообмена: 1,1 - шнековый завихритель; ф = 45 и 75; 2 и 2 - поперечная накатка, d/D = 0,983 и 0,875; 3 и 3 - S/D = 3,25 и 1; 4 и 4 - проволочный спиральный завихритель, S/D = 2,17 и 0,724; 5 и 5 -ленточный завихритель, S/D = 19 и 3,16 теплоносителей и условий течения. Несмотря на несомненную практическую значимость материалов, представленных в цитируемых работах, общая картина содержит еще множество "белых пятен" и слабо изученных областей. Структура потока в каналах с интенсификаторами теплообмена при ламинарном и переходном режимах течения на сегодняшний день в достаточной степени не исследована и, как следствие этого, трудно судить о механизмах интенсификации теплообмена. В выводах работы [22] прямо указывается на необходимость дальнейших экспериментальных исследований эффективности всех наиболее выгодных интенсификаторов теплообмена в номинально ламинарной области 100 1000 Re
Сравнительная эффективность интенсификаторов теплоотдачи на номинально ламинарном режиме течения: 1 - гладкий канал; 2-спиральная проволочная вставка, труба, трансформаторное масло; 3 -поперечные выступы, труба, трансформаторное масло; 4 - спиральные выступы, труба, трансформаторное масло; 5 — спиральная проволочная вставка, труба, масло для сервомеханизмов; 6 — поперечные выступы, труба; 7-диафрагма, труба, смесь трансформаторного и машинного масел; 8 - поперечные выступы, труба, масло; 9 — спиральная проволочная вставка, труба, трансформаторное масло; 10- поперечные выступы, труба, масло; 11 - поперечные канавки, кольцевой канал, масло; 12 - сферические выступы, плоский канал, воздух; 13 - сферические выступы, плоский канал, воздух; 14 - спиральная проволочная вставка, труба, масло. течения и отмечается настоятельная потребность в изучении ламинарно-турбулентного перехода в интенсифицированных каналах.
В принципе, ламинарные течения сравнительно легко поддаются численному моделированию, но работа в этом направлении для интенсифицированных каналов только разворачивается. Имеющиеся на сегодняшний день расчетные методики не обеспечивают необходимой для практики степени достоверности прогнозирования параметров течений в каналах с элементами дискретной шероховатости. В значительной степени сложившаяся ситуация объясняется тем, что используемые методы не позволяют выполнять расчет в областях ламинарно-турбулентного перехода, который, как правило, реализуется в таких каналах при числах Рейнольдса, соответствующих ламинарному режиму в гладком канале такого же гидравлического диаметра. Достаточно отметить, что все коммерческие коды (пакеты прикладных программ типа Fluent, StarSD, Flowvisual, Fenix и т.д.) требуют априорного задания режима течения (ламинарного или турбулентного) и не позволяют выполнять расчет в области ламинарно-турбулентного перехода. Наиболее перспективным методом теоретического исследования таких течений являются метод прямого численного моделирования (DNS) и метод крупных вихрей (LES).
Сравнительная эффективность интенсификаторов теплоотдачи на турбулентном режиме течения: 1 - гладкий канал; 2 - кольцевые поперечные выступы, труба; 6 - сферические выступы, труба; 10-сферические выемки; 14 - сферические выступы, прямоугольный канал, воздух; 15 - сферические выемки, прямоугольный канал, воздух. Эти методы интенсивно развиваются, однако они требуют значительных вычислительных ресурсов (особенно метод DNS) и временных затрат и на сегодняшний день не получили распространения для решения прикладных задач.
Как уже упоминалось, обтекание интенсификаторов теплообмена сопровождается, как правило, формированием локальных областей отрыва и присоединения потока. Наиболее простым и изученным является отрыв ламинарного потока при достаточно низких числах Рейнольдса, когда переход к турбулентности полностью отсутствует. Исследование ламинарного отрыва в этом случае чаще всего выполнялось для относительно простых конфигураций течения, в которых точка отрыва потока является фиксированной: обращенный назад уступ или внезапное расширение осесимметричного канала. Рециркуляционная область в этих течениях является полностью устойчивой в достаточно широком диапазоне чисел Рейнольдса. Результаты некоторых экспериментов свидетельствуют, что переходные явления (неустойчивости, наблюдаемые в оторвавшемся сдвиговом слое) начинаются ориентировочно в области чисел Рейнольдса Re=200...400, рассчитанных по диаметру трубы и средней скорости потока перед точкой отрыва [49].
Рабочий участок, объекты исследования и условия проведения экспериментов
При проведении исследований использовались два рабочих участка одинаковых размеров и идентичной конфигурации. Первый из них был предназначен для визуальных исследований, второй - для выполнения измерений. Рабочий участок имел высоту Н=20 мм, ширину 5 = 50 мм, длину L = 250 мм и был снабжен плавным входом, выполненным по лемнискате Бернулли [21]. Стенки рабочего участка обоих исполнений были выполнены из светопрозрачного оргстекла толщиной 10 мм. Схема рабочего участка в его «измерительном» варианте показана на рис.2.4, а общий вид участка - на рис.2.5.
На одной из стенок рабочего участка располагались элементы дискретной шероховатости в виде выступов, занимающих всю его ширину и выполненных из тонкой металлической пластины с заостренной кромкой. Схема выступа показана на рис.2.6. В экспериментах использовались выступы высотой h = 4 и 2,3 мм. При установке выступов обеспечивалось отсутствие зазора между ними и стенкой рабочего участка.
Вблизи образующей плавного входа в рабочий участок располагалось устройство дымовой визуализации течения, которое включало пять нихромовых проволочек 14 диаметром 0,2 мм каждая (рис.2.1). Подвод напряжения питания к проволочкам осуществлялся через герметичные разъемы, выполненные в корпусе установки. Регулирование напряжения питания проволочек, обеспечивающее изменение интенсивности дымового «следа», выполнялось при помощи регулятора 16. Для компенсации теплового удлинения каждой проволочки служил натяжитель нити 15.
Рабочий участок, предназначенный для проведения измерений параметров потока (рис.2.4), был оснащен термоанемометрическими датчиками скорости потока, которые располагались на оси рабочего участка. Первый датчик был установлен на расстоянии 8,2 мм от входного сечения рабочего участка, второй - на расстоянии 176 мм вниз по потоку. Такое расположение датчиков позволило контролировать режим течения на входе в рабочий участок и определять влияние выступа на параметры и характер течения вниз по потоку. Кроме того, на стенке канала за выступом Рис.2.4. Схема рабочего участка: №№1, 2, 3 - датчики продольной компоненты вектора поверхностного трения были установлены термоанемометрические датчики для измерения продольной компоненты вектора поверхностного трения. Два из них располагалось в плоскости симметрии рабочего участка на расстоянии 10 мм друг от друга (первый - на расстоянии 108 мм от входного сечения рабочего участка), а третий смещен на 13 мм по трансверсальной координате (располагался практически на полуширине канала).
Расстояние от датчика до выступа xh варьировалось перемещением последнего. Расстояние (шаг) между выступами /х изменялось при помощи перемещения выступа, расположенного ниже по потоку.
В экспериментах число Рейнольдса, вычисленное по скорости невозмущенного потока во входном сечении канала UQ и его высоте Н, изменялось в диапазоне ReH = 94...4240. При этом число Рейнольдса, определенное по высоте выступа h и среднерасходной скорости потока в зазоре между выступом и стенкой канала, составляло Reh= 24...1060 для h = 4 мм и Reh =12...550 для h = 2,3 мм. Диапазон изменения скорости потока в канале без выступа при этом составлял UQ = 0,077.. .3,1 м/с.
Отметим, что при h = 4 мм среднерасходная скорость в зазоре между выступом и стенкой канала составляла 1,25 UQ, а при h = 2,3 мм - 1,13 U0. Изучение пространственно временной структуры течения в канале с элементами дискретной шероховатости на ламинарном и переходном режимах течения проводилось при помощи комбинации трех методов исследования: визуализации течения, термоанемометрических измерений скорости потока в канале и напряжения трения на стенке в области отрыва потока за выступами, а также измерений мгновенного поля скорости потока с использованием техники PIV (Particle Image Velocimetry). Результаты, полученные с использованием упомянутых методов, взаимно дополняют друг друга и позволяют получить наиболее полную информацию об исследуемом течении. Дымовая визуализация относится к числу бесконтактных методов исследования. Она дает возможность получить наглядную качественную картину течения, проследить динамику эволюции крупномасштабных вихревых структур, а также выполнить оценку некоторых количественных характеристик потока на различных режимах (продольный размер области отрыва потока, положение границы между отрывной областью и внешним потоком, начало неустойчивости течения и т.д.). Термоанемометрические методы позволяют получить изменение во времени локальных мгновенных значений скорости потока или, в зависимости от исполнения чувствительного элемента (датчика), мгновенных локальных значений вектора поверхностного трения или его продольной компоненты. При помощи различных методов обработки сигнала с датчика термоанемометра определяют статистические и спектральные характеристики измеряемых параметров в заданной точке. Одновременные измерения параметров потока двумя или несколькими термоанемометрическими датчиками дают возможность определять Направление и скорость переноса пульсаций параметров и их пространственно временную взаимосвязь. Основным недостатком термоанемометрических методов является локальный характер измерения. Для получения мгновенного векторного поля скорости исследуемого течения использовалась техника PIV. Однако эта техника не позволяет отслеживать динамику полей скорости, поскольку частотное разрешение метода составляет порядка 1 Гц. Избежать этого недостатка можно при большом объеме измерений с использованием метода условно выборочного осреднения, но в данных исследованиях этот подход не использовался.
Визуализация течения. Визуализации течения выполнялась методом «дымящейся» проволочки, в котором узкий концентрированный дымовой след образуется в результате быстрого испарения (сжигания) масла на проволочке при пропускании через нее импульса тока. Как уже упоминалось в разделе 2.2 настоящей главы, проволочки располагались вдоль образующей плавного входа в рабочий участок.
Перед проведением визуальных" исследований были выбраны и экспериментально апробированы режимы работы системы визуализации, при которых температура воздуха в рабочем участке практически не изменяется, т.е. выделяемое на проволочках тепло расходуется главным образом на испарение масла. Для этих целей в процессе визуализации измерялась температура потока миниатюрной термопарой в двух точках рабочего участка — на его оси и вблизи стенки, на которой устанавливался выступ. Как показали результаты измерений, изменение температуры в обеих точках во время проведения эксперимента (в среднем около 3 мин.) не превышало 1 градус. На основании этой информации время визуальных исследований было ограничено 1,5 минутами.
Обтекание системы двух препятствий
Визуализация обтекания системы из двух выступов выполнялась при таких же значениях чисел Рейнольдса, как и в случае единичного выступа: Reh = 23,5; 46,5; 93; 150 и 230,5 (Re„ = 94; 186; 372; 604 и 922). Кроме того, при каждом числе Рейнольдса варьировалось расстояние между выступами /х = 15; 25 и 45 мм {IJh = 3,75; 6,25 и 11,25). Как уже упоминалось в главе 2, значение /х изменялось при помощи перемещения выступа, расположенного ниже по потоку. При этом расстояние от входного сечения канала до первого выступа оставалось неизменным и составляло 105 мм.
Результаты визуализации течения за системой из двух выступов представлены на рис.3.5-3.17 в виде фрагментов (стоп-кадров) картины течения при различных числах Рейнольдса и расстояниях между выступами. Для IJh = 3,75 при числах Рейнольдса Reh 150 (рис.3.5 - 3.6) между выступами формируется устойчивый крупномасштабный вихрь, а течение за вторым по потоку выступом сохраняет все черты ламинарного отрыва потока за препятствием: рециркуляционная область замкнута, течение в ней имеет слоистый характер. Отчетливо видно, что структура потока по времени изменяется: видеофрагменты в два последовательных момента времени отличаются друг от друга, хотя эти отличия незначительны. Это свидетельствует о наличии низкочастотных колебаний потока малой амплитуды, которые наблюдались и при визуализации течения за единичным выступом. Кроме того, течение в канале при наличии второго выступа также имеет трехмерный характер, о чем свидетельствует искривление линий тока в трансверсальном по отношению к внешнему потоку направлении как между выступами, так и после второго по потоку выступа. В плоскости xOz за вторым выступом отчетливо видны угловые вихри, которые формируются в области соединения выступа с боковыми стенками канала и, по-видимому, инициируют развитие ячеистой структуры потока.
При увеличении числа Рейнольдса до Reh = 150 (рис.3.7) структура потока между выступами, характеризующаяся наличием устойчивого крупномасштабного вихря, не претерпевает заметных изменений, лишь в плоскости xOz более отчетливо проявляется ячеистый характер течения, в котором можно выделить три структуры, расположенные с приблизительно одинаковым шагом по ширине канала. Однако в плоскости хОу при этом значении числа Рейнольдса в струйках дыма в Рис.3.13. Структура течения за системой из двух выступов h = 4 мм, IJh = 6,25 в два последовательных момента времени в плоскости xOz при Reh= 230,5 (направление потока - справа налево), At = 0,04 с области присоединения потока прослеживается чередование светлых и темных областей, что можно интерпретировать как формирование продольных вихревых структур наподобие вихрей Тейлора-Гертлера (рис.3.7,а). Важно подчеркнуть, что формирование таких структур происходит при Reh « 150, тогда как за единичным выступом аналогичные процессы наблюдаются уже при Reh и 93.
Дальнейшее увеличение числа Рейнольдса до Reh = 230,5 приводит к развитию неустойчивости в сдвиговом слое за вторым выступом и формированию вниз по потоку на некотором расстоянии от него крупномасштабных вихревых структур (рис.3.8). Отметим, что указанная неустойчивость сдвигового слоя за единичным выступом системой, полученная по результатам визуализации течения, наблюдалась не при Reh « 230, а при Reh « 150.
В структуре течения между выступами при увеличении числа Рейнольдса до Reh = 230,5 можно отметить следующую особенность: наряду с крупномасштабным вихрем между выступами (в плоскости хОу) формируется второй вихрь, расположенный непосредственно за первым выступом и вытянутый в вертикальном направлении (рис.3.8,а). Размеры этих вихрей и их очертания по времени меняются.
Картина течения в плоскости xOz имеет выраженный ячеистый характер (рис.3.8,6). В области за выступами наблюдаются три ячейки, формирование которых связано, по-видимому, с наличием угловых вихрей. Поведение струек дыма между выступами в этой плоскости позволяет сделать вывод об увеличении до четырех количества ячеек в структуре течения.
Можно предположить, что существование устойчивого вихря между выступами оказывает стабилизирующее действие на течение и возникновение неустойчивости сдвигового слоя и, соответственно, переход к турбулентному режиму течения в канале будет происходить при более высоком значении числа Рейнольдса. Результаты термоанемометрических измерений скорости потока на оси канала за выступами, как будет показано ниже, подтвердили это предположение.
С увеличением расстояния между выступами до IJh = 6,25 структура течения при Reh 150 также сохраняет все черты ламинарного отрыва потока (рис.3.9 и 3.10). Судя по результатам визуализации потока в плоскости хОу, формирующийся между выступами вихрь по сравнению с IJh = 3,75 становится более вытянутым (рис.3.9, я и 3.10,а). С увеличением числа Рейнольдса (в указанном диапазоне) продольный размер области отрыва потока за вторым выступом возрастает. Можно также отметить трехмерность течения с образованием ячеистой структуры (рис.3.9,6 и 3.10,6), и наличие низкочастотных колебаний потока, которые имели место и при обтекании единичного выступа. Рис.3.14. Структура течения за системой из двух выступов h = 4 мм, ljh = 11,25 в два последовательных момента времени при Reh=46,5.
Структура течения за системой из двух выступов h = 4 мм, ljh = 11,25 в два последовательных момента времени при Reh= 230,5 (направление потока - справа налево): а-в плоскости хОу при At = 0,\ с (плоскости симметрии рабочего участка установки), б-на расстоянии 0,5 мм от плоскости xOz. С ростом числа Рейнольдса (до Reh= 150) картина течения претерпевает существенные изменения (рис.3.11). Струйки тока отсоединяются от первого по потоку выступа и на достаточно большом расстоянии вниз по течению от второго выступа (приблизительно до 8 высот уступа) практически не размываются. Далее вниз по потоку они начинают совершать колебательные движения, что свидетельствует о начале перехода к турбулентному режиму течения в канале (рис.3.11,а). Внутри зоны, ограниченной этими линиями тока наблюдается сложная вихревая структура течения. В области между выступами можно выделить два вихря: один из них расположен непосредственно за первым выступом и вытянут в продольном направлении, а другой — перед вторым выступом -имеет практически круговую форму. Размеры, конфигурация и взаимное положение этих вихрей постоянно изменяются. За вторым выступом формируется неустойчивая рециркуляционная область, течение в которой характеризуется интенсивным перемешиванием и постоянно изменяющейся внутренней структурой, что свидетельствует о переходном характере течения.
При дальнейшем увеличении числа Рейнольдса область потери устойчивости сдвигового слоя, формирующегося за первым выступом, перемещается вверх по потоку и при Reh «230 располагается непосредственно за вторым выступом (рис.3.12). Такой характер течения приводит к образованию за этим выступом крупномасштабных вихрей, сносимых внешним потоком. Между выступами наблюдается замкнутая нестационарная рециркуляционная область, в которой, как и при Reh «150, можно выделить две нестационарные вихревых структуры.
Отличительной особенностью обтекания системы из двух выступов при ljh= 11,25 и Reh 150 является то, что устойчивый крупномасштабный вихрь между выступами становится более вытянутым в продольном направлении, а перед основанием второго выступа можно заметить формирование небольшого вторичного углового вихря и эта структура слабо меняется во времени (рис.3.1Л,а и 3.15,д). В целом обтекание системы из двух выступов в этом диапазоне чисел Рейнольдса соответствует режиму ламинарного отрыва потока: за вторым выступом также формируется замкнутая рециркуляционная область, внутри которой имеет место слоистое течение с медленно изменяющейся структурой.
Параметры течения в канале за системой из двух выступов
Основная задача выполнения термоанемометрических измерений параметров потока в канале с элементами дискретной шероховатости в виде системы из двух поперечных выступов заключалась в определении значения числа Рейнольдса, соответствующего началу неустойчивого режима течения в канале и зависимости этого значения от взаимного положения выступов.
Для выполнения этой задачи были проведены измерения скорости потока во входном сечении рабочего участка с системой из двух выступов (см. рис.2.4) и на расстоянии 176 мм от него вниз по потоку. Измерения выполнялись в плоскости симметрии канала. Выступы имели высоту h — 4 мм. В экспериментах варьировалось расстояние между выступами: /х=15; 25 и 45 мм (/x//z = 3,75; 6,25 и 11,25). Взаимное положение выступов изменялось путем перемещения второго по потоку выступа, при этом первый располагался на расстоянии 52 мм от входа в канал. Эксперименты проводились при Reh = 93... 1060 (ReH = 372...4230).
Как и в случае обтекания единичного выступа, с увеличением числа Рейнольдса частота и амплитуда этих колебаний возрастают (рис.4.22) и при Reh м 1060 изменение скорости потока в канале по времени становится близкой осциллограмме развитого турбулентного течения. Этот же вывод следует и из приведенного на рис.4.23 распределения спектральной плотности продольных пульсаций скорости потока в рабочем участке вниз по течению от системы выступов при Reh= 1060. Как видно из рисунка, в этом распределении имеется достаточно протяженный инерционный интервал, в котором выполняется «закон -5/3».
С увеличением расстояния между выступами до IJh = 6,25 первые признаки нарушения ламинарного режима течения в канале вниз по потоку от выступов, проявляющиеся в возникновении низкочастотных пульсаций скорости на соответствующих осциллограммах, проявляются при Reh » 150 (рис.4.24). Дальнейшее увеличение числа Рейнольдса приводит к росту частоты и амплитуды пульсаций скорости (рис.4.25).
Аналогичные выводы следуют и из анализа эволюции осциллограмм продольной компоненты скорости потока при увеличении числа Рейнольдса для IJh = 11,25 (рис.4.26 и 4.27). Из приведенной на рисунках информации следует, что первые признаки потери устойчивости течения при этом взаимном расположении выступов наблюдаются при Reh«150. Однако следует отметить, что, несмотря на достаточно уверенную воспроизводимость результатов измерений, в единичных экспериментах низкочастотные колебания скорости потока наблюдались и при Reh и 130.
Отметим, что наибольший рост интенсивности пульсаций скорости приходится на достаточно узкую область изменения чисел Рейнольдса (ARej, 60...80). По-видимому, именно в этой области происходит наиболее интенсивное нарастание возмущений в канале. Затем с увеличением Reh величина aju плавно снижается.
Таким образом, по результатам термоанемометрических измерений параметров потока за единичным поперечным выступом и системой из двух выступов в канале на номинально ламинарном режиме течения можно сделать следующие выводы.
Выявлен характер изменения продольных размеров отрывной области XR за выступом в зависимости от числа Рейнольдса набегающего потока. Показано, что при ламинарном характере течения в рециркуляционной зоне изменение XR происходит по закону, близкому к линейному. Линия присоединения потока в исследуемом диапазоне чисел Рейнольдса изменяется по ширине канала, наиболее существенно - при Reh = 46...230. На этих режимах амплитуда колебаний самой точки присоединения незначительна.
Отрыв потока за выступом или системой выступов инициирует появление низкочастотных колебаний скорости потока и начало ламинарно-турбулентного перехода в канале на числах Рейнольдса, при которых в гладком канале сохраняется ламинарный режим течения. Критическое число Рейнольдса, соответствующее началу развития неустойчивости течения в канале за единичным выступом, составляет Rei,Kp 140. Для системы из двух выступов при расстоянии между ними IJh 6 критическое число Рейнольдса практически сохраняет свое значение. При малом расстоянии между выступами (IJh«4) начало ламинарно-турбулентного перехода в канале затягивается на более высокие значения числа Рейнольдса (Rej,K 230), что подтверждает выводы, сделанные по результатам визуализации течения. Основные признаки развитого турбулентного течения в канале с единичным выступом и системой выступов начинают проявляться при Reh 1000 (ReH « 4000).
Анализ пространственно-временной структуры течения за выступом, выполненный в главах 3 и 4 основан на качественном изучении динамики изменения этой структуры при помощи дымовой визуализации и результатах измерения мгновенных параметров течения (скорости и продольной компоненты вектора поверхностного трения) в фиксированных точках потока. В настоящей главе эта информация дополняется результатами измерений двумерного мгновенного поля течения в канале с единичным выступом h = 4 мм, полученными с использованием измерительной системы «ПОЛИС», в которой реализован метод цифровой трассерной визуализации PIV (Particle Image Velocimetry). Краткое описание метода содержится в главе 2.
Метод PIV обеспечивает временной интервал между двумя последовательными мгновенными полями течения не менее 0,8 с, что не позволяет при помощи этого метода изучать динамику эволюции вихревой структуры исследуемого течения. Однако полученные с его использованием данные дают возможность составить количественное представление о структуре течения во всей исследуемой области, в том числе в диапазоне чисел Рейнольдса, в котором применение дымовой визуализации проблематично.
Мгновенные поля скорости и завихренности были получены в трех плоскостях: плоскости хОу (плоскости симметрии канала) и в двух плоскостях, параллельных плоскости xOz, одна из которых расположена на расстоянии 0,5 мм, а вторая - 10 мм от стенки канала, на которой установлен выступ. Диапазон изменения числа Рейнольдса при проведении PIV-измерений составлял Reh = 46,5... 1060, что соответствует ReH = 186.. .4240.
Результаты измерений представлены на рис.5.1 ... 5.5, где векторное поле скорости потока показано соответствующими стрелками-векторами, а поле завихренности обозначено цветом. Каждый рисунок снабжен шкалой скорости и завихренности, пользуясь которой можно определить количественные значения этих параметров в той или иной области течения. На всех рисунках направление потока — справа налево. Некоторые рисунки содержат по два изображения поля скорости и завихренности в одной и той же плоскости, но в разные моменты времени, что позволяет проследить изменение структуры потока.
При Red = 46,5 на векторном поле течения в плоскости хОу видна рециркуляционная область за выступом, в которой можно выделить зону обратного течения и зону вторичного вихря, формирующегося вблизи выступа (рис.5.\,а). Завихренность в слое смешения отличается слабой интенсивностью и отражает, по-видимому, наличие поперечного градиента скорости потока в оторвавшемся слое смешения. В плоскости xQz вблизи стенки, на которой установлен выступ в области соединения выступа с боковыми стенками канала отчетливо видны угловые вихри, направление вращения которых противоположно (рис.5.1,6,в). Следует отметить, что структура потока на «парных» полях в плоскости xOz (рис.5.1,6 и 5.1,б) имеет некоторые отличия, что свидетельствует о низкочастотных колебаниях потока, имеющих место при числе Рейнольдса, соответствующем полностью ламинарному характеру течения в рециркуляционной области. На расстоянии 10 мм от этой плоскости векторное поле течения однонаправлено практически во всей области измерений, лишь вблизи боковых стенок канала виден нарастающий пограничный слой (рис.5.1,г).
