Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследования 14
1.1 Обзор экспериментальных работ по теплообмену плохообтекаемых тел 15
1.1.1 Поперечнообтекаемые пластины 17
1.1.2 Теплообмен от квадратных призм и цилиндра в поперечном потоке 23
1.1.3 Теплообмен от одиночного куба 35
1.1.4 Сопоставление данных по теплообмену плохообтекаемых тел 41
1.1.5 Теплообмен тандема плохообтекаемых тел 44
1.2 Выбор направления исследований и постановка задачи 50
2 Экспериментальная установка и методы измерения 52
2.1 Обоснование выбора форм и определяющего размера моделей зданий 53
2.2 Исследование структуры течения воздушного потока
2.2.1 Аэродинамический стенд для исследования структуры течения воздушного потока 55
2.2.2 Опытные модели для исследования структуры течения воздушного потока 56
2.2.3 Методика проведения экспериментов по исследованию структуры течения и визуализации 56
2.3 Исследование локальной и средней теплоотдачи 58
2.3.1 Аэродинамический стенд для исследования локальной и средней теплоотдачи 58
2.3.2 Опытные модели для исследования теплоотдачи
2.3.3 Методика проведения экспериментов по изучению локальной теплоотдачи 63
2.3.4 Методика обработки результатов измерений локальной и средней теплоотдачи 64
2.3.5 Анализ погрешностей измерений внешнего теплообмена 66
3 Результаты исследований теплообмена отдельно стоящих моделей различной высоты 72
3.1 Визуализация обтекания отдельно стоящих призм на плоскости 73
3.2 Локальный теплообмен отдельно стоящих призм различной относительной высоты 76
3.3 Средний по граням теплообмен отдельно стоящих призм разной высотности 3.3 Интегральный от всей поверхности теплообмен отдельно стоящих призм различной высоты 87
3.4 Выводы к разделу 3 89
4 Результаты исследований теплообмена двух призм, находящихся в следе 90
4.1 Визуализация обтекания двух призм при осевом их расположении 91
4.2 Локальный теплообмен призмы в следе 97
4.3 Средний по граням теплообмен призмы в следе 109
4.4 Интегральный от всей поверхности теплообмен призмы в следе 114
4.5 Выводы к разделу 4 117
5 Результаты исследований теплообмена двух призм при поперечном их смещении 119
5.1 Визуализация обтекания двух призм при не осевом их расположении
5.2 Локальный теплообмен призмы со смещением 124
5.3 Средний по граням теплообмен призмы со смещением 136
5.4 Интегральный от всей поверхности теплообмен призмы со смещением 141
5.5 Выводы к разделу 5 142
Заключение 143
Список использованных источников 144
Список условных обозначений
- Теплообмен от квадратных призм и цилиндра в поперечном потоке
- Аэродинамический стенд для исследования структуры течения воздушного потока
- Локальный теплообмен отдельно стоящих призм различной относительной высоты
- Средний по граням теплообмен призмы в следе
Введение к работе
Актуальность темы исследования обусловлена чрезмерным потреблением энергии как в процессе возведения, так и при эксплуатации зданий и сооружений в России, особенно в Сибирском регионе. В настоящее время жилые здания в средней полосе России расходуют на нужды отопления от 350 до 600 кВт.ч/м в год. В условиях Сибири и Крайнего Севера на отопление панельных домов ухо-
дит около 1000 кВт.ч/м в год. Для сравнения: Германия - 260 кВт.ч/м в год; вы-сокоширотные государства Швеция, Финляндия, Норвегия - 120-^135 кВт.ч/м в год. Очевидно, что по этим показателям у нас серьезное отставание.
В решении проблем энергосбережения в строительном комплексе России, помимо увеличения термического сопротивления ограждающих конструкций вновь строящихся зданий и существующего жилого фонда, важную роль будет играть минимизация внешних тепловых потерь за счет рационального расположения зданий относительно ветровых воздействий. Поэтому проведение измерений локальной и средней теплоотдачи к окружающему воздуху является необходимым этапом моделирования тепловых потерь зданий и сооружений. Для описания процессов теплообмена нужны детальные исследования как структуры течения воздушного потока, так и характеристик конвективного теплообмена от всех поверхностей зданий.
Анализ литературных источников свидетельствует о значительном прогрессе в данной области, достигнутом большим числом научных школ как у нас в стране, так и за рубежом. К таковым можно отнести работы в области архитектурной аэродинамики и строительной теплофизики Лыкова А.В., Богословского В.Н., Гагарина В.Г. Исаева С.А., Гувернюка СВ., Гныри А.И., Злодеева А.В., Терехова В.И., Низовцева М.И., Табунщикова Ю.А., Ларичкина В.В., Саленко С.Д., Igarashi Т., Richards P.J., Нохеу R.P., Martinuzzi R. J., Nakamura Н. и др.
Обтекание одиночных зданий различной высотности, а также системы зданий при различной их планировке, является сложной и многофакторной задачей. Образующаяся система отрывных потоков, взаимодействующих между собой, создает значительные трудности при разработке численных моделей расчета аэродинамики и теплообмена. Это направление сейчас активно развивается, и достигнут определенный прогресс для относительно простых и канонических пло-хообтекаемых тел: куб в пограничном слое, протяженная квадратная призма и некоторые другие ( Курбацкий А.Ф., Федорова Н.Н., Rodi W., Hanjalic К., Ni-kitinN., Saha A.K., Hussein H.J.). Поэтому основным инструментом изучения тепловых потерь является экспериментальное исследование на установках, моделирующих реальные условия ветрового воздействия на здания.
Цель работы заключается в экспериментальном изучении влияния формы здания, скорости и угла атаки воздушного потока, а также местоположения на локальный и интегральный турбулентный теплообмен как одиночных призм, так
и при их тандемном расположении для уточнения расчетов ограждающих конструкций, связанных с изменением коэффициента теплоотдачи.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Создать экспериментальную установку, изготовить модели для исследования структуры течения воздушного потока и коэффициентов локального и среднего теплообмена.
-
Исследовать влияние формы модели, скорости и угла атаки воздушного потока на структуру вихреобразования и теплообмен одиночной призмы различной высоты.
-
Получить новые критериальные соотношения для расчета средних коэффициентов теплоотдачи от каждой грани и в целом от одиночных моделей здания различных форм при двух предельных углах атаки воздушного потока.
-
Исследовать вихреобразование, формирование отрывных зон и теплообмен тандема моделей зданий при расположении их как в следе друг за другом, так и со смещением на различные расстояния в трансверсальном направлении.
-
Установить зависимость изменения локального и среднего коэффициентов теплоотдачи моделей зданий призматической формы от их высоты, расположения на поверхности и числа Рейнольдса.
Объект исследования. Локальный и средний коэффициент конвективной теплоотдачи.
Предмет исследования. Уточнение расчетов ограждающих конструкций зданий и сооружений, связанных с изменением коэффициента теплоотдачи.
Метод исследования. Для решения поставленных задач использовалось физическое моделирование на основе теории подобия.
Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждаются анализом погрешностей измерения, выполнением тестовых испытаний на определение тепловых потерь, проведением цикла сравнений с экспериментальными данными различных авторов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
получены новые критериальные зависимости для расчета средних коэффициентов теплоотдачи от каждой грани и от всей поверхности одиночных моделей зданий различных форм при углах атаки воздушного потока ф = 0 и 45, которые могут быть использованы при расчетах теплового состояния ограждающих конструкций.
впервые показано, что величина интегрального теплообмена от всей поверхности модели снижается при увеличении относительной высоты призмы HI а от 1 до 12 (приближение двумерного обтекания);
- изучены структура течения и теплообмен тандема моделей зданий и со
оружений при расположении их в следе друг за другом, а также со смещением в
поперечном направлении. Показано существенное различие в характере обтека
ния и распределении локальной и средней теплоотдачи наружной поверхности
тандема моделей зданий при изменении расстояний между ними Ll/a = 0^-оо и
L2la = 0-2,0;
-обнаружено, что при уменьшении расстояния между моделями Ы/а, в отличие от тел кубической формы (HI а = 1,0), между высокими призмами (HIа = 6,0) практически отсутствует застойная зона, воздушный поток подвергается «поджатию», скорость ветра увеличивается, усиливаются вихреобразования и отрывные течения, что приводит к интенсификации теплообмена.
- установлена зависимость изменения локального и среднего коэффици
ентов теплоотдачи от взаимного расположения моделей на плоскости при
изменении расстояний в продольном (расположение моделей в следе) Ы1а и по
перечном (со смещением) L2la направлениях между моделями.
Основные научные положения, выносимые на защиту
методика экспериментального исследования теплообменных процессов моделей зданий и сооружений;
результаты лабораторных исследований структуры течения и теплообмена одиночных моделей зданий различной высотности (HIа =1,3, 6);
результаты исследований теплообмена моделей зданий призматической формы в зависимости от их взаимного расположения на плоскости.
Практическая ценность и реализация результатов работы
Результаты исследований, представленные в виде корреляционных соотношений могут быть использованы в расчетах внешнего теплообмена ограждающих конструкций зданий и сооружений, а также для теплозащиты бетона при монолитном домостроении в зимних условиях.
Результаты работы прошли апробацию в ООО «Проектно-конструкторское бюро ТДСК» (г. Томск), в ФГБУН Институте теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН (г. Новосибирск), в ООО «Полимер-С» (г. Томск), в ОАО «Монолит» (г. Томск).
Полученная база экспериментальных данных может быть использована в инженерных расчетах тепломассообмена тел прямоугольной формы во многих технологических процессах: при сушке кирпича, охлаждении электроники и т. д.
Разработанные программы для ЭВМ № 2013616003 и № 2013619013 используются для обучения магистрантов по направлению 270800 «Строительство» по программе 27080003 «Комплексные экспериментальные исследования аэродинамики и теплообмена моделей зданий и сооружений» в ФГБОУ ВПО ТГАСУ.
Результаты кандидатской диссертации по теме «Экспериментальное исследование конвективного теплообмена моделей одиночных и тандемно расположенных зданий» внедрены в учебный процесс при выполнении курсовых проектов и раздела «Архитектурно-планировочные решения» в рамках дипломного проекта по кафедре «Архитектура промышленных и гражданских зданий» ФГБОУ ВПО ТГАСУ при выполнении теплотехнических расчетов ограждающих конструкций зданий и сооружений.
Личный вклад автора заключается в создании экспериментального стенда и 12 рабочих участков для визуализационных и тепловых исследований, системы сбора и обработки опытной информации. Автором самостоятельно проведены: систематические экспериментальные исследования, обработка и обобщение полученной информации, оформление публикаций по результатам исследований. Соавторам работ (Гныря А.И., Коробков СВ. и Терехов В.И.) принадлежит постановка задач исследования, обсуждение результатов и участие в написании статей и докладов.
Апробация работы
Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на всероссийских и международных конференциях:
57-я, 58-я, 59-я, 60-я, 61-я конференции студентов и молодых ученых ТГАСУ (г. Томск, 2011, 2012, 2013, 2014, 2015); XIII, IX, X, XI Международные конференции студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (г. Томск, 2011, 2012, 2013, 2014); «Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании» (г. Москва, 2011); XXIII семинар по струйным, отрывным и нестационарным течениям с международным участием (г. Томск, 2012); I, II Конференции «Энерго- и ресурсоэффективность малоэтажных зданий» (г. Новосибирск, 2013, 2015); VI Всероссийская конференция «Актуальные вопросы строительства» (г. Новосибирск, 2013); Международный семинар: «Распространение устойчивых технологий в строительстве. Совместный российско-немецкий проект» (г. Томск, 2013); XII Международная конференция «Приоритетные научные направления: от теории к практике» (г. Новосибирск, 2014); Международная конференция «Наука третьего тысячелетия» (г. Уфа, 2014); XXXI Международная конференция «Наука и современность - 2014» (г. Новосибирск, 2014); Международная конференция молодых ученых «Перспективные материалы в науке и технике» (г. Томск, 2014); I Международная научная конференция студентов и молодых ученых «Молодежь, наука, технологии: новые идеи и перспективы» (г. Томск, 2014); Всероссийская конференция «XXXI Теплофизический семинар, посвященный 100-летию со дня рождения академика С.С. Кутателадзе» (г. Новосибирск, 2014); V международная научно-практической конференция «Фундаментальные и прикладные науки сегодня» (North Charleston, USA, 2015).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 35 работ в научных журналах, сборниках и трудах конференций, из них 3 статьи в рецензируемых журналах из перечня ВАК. Получено 2 патента на полезную модель и 2 программы для ЭВМ.
Работа выполнялась в рамках:
Проект РФФИ № 09-08-00523-а «Комплексные экспериментальные исследования аэродинамики и теплообмена зданий и сооружений», 2009-2011 гг.
Г/к №353/3305н «Разработка и совершенствование энергосберегающих технологий бетонных работ в зимних условиях», 2013 г.
Проект РФФИ № 13-08-00505-а «Аэромеханика и теплообмен моделей системы зданий при вариации их формы и расположения», 2013-2015 гг.
Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников из 125 наименований. Полный объем диссертации - 165 страниц, включая 88 рисунков и 4 таблицы.
Теплообмен от квадратных призм и цилиндра в поперечном потоке
Теплообмен зданий и сооружений, а также строительных конструкций с окружающей средой происходит как за счет конвекции, так и лучеиспускания [35, 36]. Интенсивность конвективного теплообмена зависит в основном от скорости воздушного потока окружающей среды с70, а лучеиспускание - от разности температур наружного воздуха и на поверхности конструкций [25, 28, 43].
В реальных условиях здания и сооружения находятся, как правило, в окружении достаточно близко расположенных, геометрически подобных объектов. Наличие окружающих тел приводит в исследуемом объекте к изменению аэродинамической картины обтекания [13, 22, 24] и перестройке распределения коэффициентов теплоотдачи. Особенно сильное влияние, как это следует из литературных источников, наблюдается в том случае, когда испытуемое тело располагается в аэродинамическом следе от впередистоящего по потоку препятствия [74, 100].
Результаты натурных наблюдений дают наиболее полное представление о распределении локальной и средней теплоотдачи зданий и сооружений. Однако натурные эксперименты, в силу их дороговизны и сложности их организации, могут использоваться в исключительных случаях.
За последнее десятилетие значительно возросло количество расчётных работ по данной тематике на специальных универсальных пакетах прикладных программ: CFX, VP2/3, FLUENT, a-Flow, Flowvision, StarCD и др. [21, 23, 72, 82, 87]. В настоящее время здесь достигнут значительный прогресс. Однако сложный трехмерный характер отрывных потоков и особенно процесс их интерференции при обтекании системы преград существенно снижают возможности методов численного моделирования. В связи с перечисленными трудностями исследований отрывных течений и теплообмена наиболее доступным, информативным и достоверным является метод физического моделирования. В литературе имеется достаточное число экспериментальных исследований, посвященных изучению структуры течения и теплообмена плохообтекаемых тел, таких как кубы [46, 106, 108-110, 113, 125], пластины ограниченных размеров, ориентированные под различными углами к потоку [38, 41], цилиндр [15] и квадратные призмы [1, 16, 30, 53, 83, 120].
Работ, направленных на изучение структуры течения и теплообмена от наличия преград и уступов не так много [47, 49-51, 119]. Большинство имеющихся работ [61, 62, 67, 70, 98, 101, 105, 116-118] посвящены изучению среднего теплообмена и не дают информации о локальных значениях коэффициента теплоотдачи ак.
Работ, посвященных непосредственно изучению влияния изменения расстояния между двумя прямоугольными телами, расположенными на плоскости, в литературе существенно меньше [94, 104, 8, 100], однако детальных исследований не проводилось. В то же время интерес к задаче о взаимном влиянии двух (или нескольких) поперечно обтекаемых тел возник достаточно давно и связан он, прежде всего с течением в многорядных трубных теплообменниках [17]. Подробное исследование теплообмена системы из двух цилиндров в поперечном течении потока приведено в работах [91-95]. В работах [102-104] методом инфракрасной термографии изучались эффекты взаимного влияния цепочки из шести кубиков, расположенных на плоскости. Выявление характера влияния взаимного расположения на поверхности прямоугольных брусков представлено в работах [60, 69, 71, 81, 89].
Полученные рядом авторов критериальные зависимости не учитывают изменение коэффициента теплоотдачи от таких важных факторов, как форма модели, определяющий размер и местоположение, ограничиваясь при этом лишь углом атаки и скоростью воздушного потока. Эти результаты имеют ограниченный характер и не отражают в полной мере физику взаимодействия модели с потоком воздуха при вынужденной конвекции. Недостаток информации о влиянии вышеперечисленных параметров явился основанием для проведения экспериментального исследования.
Перейдем к подробному анализу экспериментальных работ, посвященных изучению теплообмена плохообтекаемых тел.
Большое значение для понимания механизма тепло- и массообменных процессов плохообтекаемых тел имеет исследование закономерностей теплопереноса для более простых типов отрывных течений. К таковым относится обтекание квадратных и прямоугольных пластин [41, 53], расположенных под разными углами атаки и рыскания к набегающему потоку. Воспользоваться этими результатами для описания теплоотдачи от тел в виде призм затруднительно, тем не менее, они дают возможность сделать ряд заключений, позволяющих более детально проанализировать картину формирования отрывных потоков.
Работы [42] и [53] посвящены изучению теплообмена при вынужденной конвекции около тела прямоугольного сечения.
Схема расположения модели прямоугольного тела в потоке воздуха Исследуемая модель имела длину С = 203 мм и отношение длины к толщине CIH = 6. Измерения проводились в низкоскоростной аэродинамической трубе с рабочим участком длиной 1676 мм и квадратным поперечном сечением со стороной 775 мм. За исключением медных нагревательных поверхностей, модель была изготовлена из плексигласа. Результаты получены для угла рыскания а = 0 -50 и скоростей набегающего потока UQ = 9,1; 15,2 и 21,3 м/с. Наименьшее число Рейнольдса (Re), вычис 9 Л. ленное по длине, равно 1,2-10 , а наибольшее - 1,6-10 . В работе с целью исследования характеристик течения потока была проведена дымовая визуализация. Устанавливалась зависимость квазилокального (т. е. среднего для нагревателей, расположенных на 1/4 хорды) числа Стантона (Sto) от положения по длине плиты при углах рыскания а = 0 -50 и скоростях U0 = 9,1 и 15,2 м/с. Число Sto подсчитывалось по скорости потока перед моделью: St0 = Nu/(RePr) = ац/(Ср-р-и0) (1.1) где щ - локальный коэффициент теплоотдачи; Ср - теплоемкость воздуха; р - плотность воздуха; U0 - скорость воздушного потока и число Pr = 0,72. В работе указывалось, что при угле а = 0 точка присоединения потока размещается на расстоянии, равном 0,67С, и число Стантона (Sto) в зоне отрыва от передней кромки до точки присоединения увеличивается. Отрыв на верхней поверхности прекращается для а = 20-К300. Обтекание верхней поверхности при а 30 обнаруживает перемещение критической точки вдоль этой поверхности. Для всех а 20 течение было турбулентным, а для всех а 30 - ламинарным.
В диапазоне угла рыскания 20-К300 течение в основном было ламинарным, но иногда появлялись турбулентные колебания сигнала. Авторами был сделан вывод, что образование зоны отрыва вызывает турбулизацию потока за пластиной, однако если зона отрыва отсутствует, то благодаря сильному ускорению основного потока ламинарный режим в пограничном слое будет сохраняться. Это ускорение потока вызывает усиление теплообмена при а 10. В диапазоне угла рыскания а = 20-К30 зона отрыва отсутствовала при скорости потока U0 = 9,1 м/с, но она существовала при скорости 15,2 м/с.
Аэродинамический стенд для исследования структуры течения воздушного потока
В настоящее время большое распространение получили исследования теплообмена различных форм зданий в сложном комплексе климатических факторов окружающей среды с учетом конструктивно-технологических параметров. Результаты натурных наблюдений дают нам наиболее исчерпывающее, всестороннее представление о локальной и средней теплоотдаче зданий и сооружений.
Однако натурные наблюдения и эксперименты имеют ряд недостатков. Во-первых, для выяснения закономерностей какого-либо явления его целесообразно выделить в чистом виде, например, при исследовании взаимодействия ветра и здания, когда рассматривается ветер в качестве климатического фактора, обладающего какой-либо средней величиной и сравнительно устойчивым направлением. Такое допущение является достаточно грубым, так как отсутствует возможность сохранения постоянства его величины и направленности. Во-вторых, натурные исследования очень громоздки и сложны с организационной точки зрения. И наконец, самое существенное заключается в том, что при проведении натурных экспериментов мы почти лишены возможности варьировать формой и размерами здания, скоростью и направлением ветра, местоположением здания и т. д. Такое многообразие климатических факторов и конструктивно-технологических параметров затрудняет выявление закономерностей теплообмена различных форм зданий с внешней средой.
Кроме того, выявление и описание зон с повышенной теплоотдачей являются важным элементом прогнозирования теплового состояния зданий. Основным методом экспериментального изучения рассматриваемых явлений был принят метод физического моделирования, который в настоящее время широко распространен в строительной физике. Теоретической основой эксперимента на моделях является теория подобия [3, 6]. Для экспериментального исследования теплоотдачи моделей, имеющих определенную форму зданий, был создан специальный аэродинамический стенд (рисунок 2.1). Рисунок 2.1- Аэродинамический стенд
Обтекание трехмерных препятствий является одним из наиболее сложных случаев формирования отрывных течений, не поддающееся в настоящее время достаточно точному численному решению. Особенно остро эта проблема стоит при анализе теплопереноса в турбулентном режиме течения. Поэтому важным при решении данной проблемы является проведение экспериментальных исследований.
Для исследования влияния скорости и угла атаки, формы и месторасположения, а также наличия турбулизаторов на внешний теплообмен зданий и сооружений с окружающей средой была поставлена серия экспериментов по исследованию конвективного теплообмена.
Коэффициент теплоотдачи ак [12, 26] является основной величиной, подлежащей опытному исследованию при конвективном теплообмене. Для его определения был использован метод физического моделирования. Серия экспериментов проведена на основе теории подобия. При этом соблюдались следующие требования: 1) геометрическое подобие модели и здания, сооружения; 2) подобие условий на поверхности взаимодействия модели и здания с окружающей средой (граничных условий); 3) равенство основных критериев подобия (Nu, Re , Pr). Здания и сооружения представляют собой плохообтекаемые тела и имеют разные формы, нередко встречаются и в виде квадратных призм. В связи с этим были выбраны модели зданий с различным соотношением сторон Н1а= 1; 3; 6. Модели представляли собой квадратные призмы высотой /7=50; 150 и 300 мм. Выбор формы сечения и определяющего размера моделей при определенной их ориентации к потоку воздуха и определенном местоположении позволяет распространить экспериментальные данные по теплообмену на широкий круг не только зданий, но и других конструкций подобной формы.
Абсолютный размер модели определялся исходя из следующих соображений. Увеличение размеров модели благоприятно с точки зрения точности измерения коэффициентов локальных распределений полей температур на поверхности, а также увеличения числа Рейнольдса (Re) модели при фиксированной скорости обтекания. В то же время размеры сечения рабочей камеры 400x400 мм ограничивают размеры модели за счет возможного поджатия потока в месте установки модели, что, соответственно, может привести к искажению аэродинамической картины потенциального обтекания призмы в трубе.
При размере призмы 50x50x50 мм и нулевом угле атаки ф = 0 увеличение скорости за счет поджатия потока составляет «1,6 %, а при наиболее неблагоприятных условиях (ф = 45) ускорение потока возрастает до « 2,2 %. При размере призмы 50x50x300 мм и ф = 0 увеличение скорости за счет поджатия потока составляет « 9,4 %, а при ф = 45 ускорение потока возрастает до « 13,1 %. Эта величина является достаточно ощутимой, поэтому увеличение размеров модели более 300 мм является нежелательным. 2.2 Исследование структуры течения воздушного потока взаимосвязи полученных картин омывания призмы потоком воздуха с картиной распределения коэффициентов теплоотдачи а, полученных при проведении серий экспериментов на аэродинамическом стенде, а также оценка гидродинамической структуры отрывных течений, характера и размеров отрывных зон. 2.2.2 Опытные модели для исследования структуры течения воздушного потока
Саже - масляная визуализация была проведена для всех исследуемых моделей. Для этого было изготовлено девятнадцать испытуемых моделей в виде ряда из двух призм и шести одиночных. Исследовалась картина обтекания потоком воздуха одиночных призм с разной относительной высотой HI а = 1; 3; 6, установленных на плоскости при углах атаки воздушного потока ф = 0 и 45, а также картина обтекания призмы, расположенной в следе за впередистоящей моделью при калибрах между ними Llla = 0; 1,5; 3,0 и 6,0 и двух крайних углах атаки воздушного потока ф = 0 и 45, и со смещением Llla = 0,5; 1,0; 1,5 и 2,0 при угле атаки воздушного потока ф = 0. Опыты были проведены при максимальной скорости воздушного потока U0 = 14 м/с, чему соответствовало число Рейнольд-са (Re) = 4,25-104.
Блок-схема экспериментальной установки для измерения локальной и средней теплоотдачи и профиль скоростей воздушного потока воздуха в аэродинамической трубе в сечении установки модели: 1 - аэродинамическая труба; 2 - испытуемая модель; 3 - трубка Пито - Прандтля; 4 - микроманометр ММН-2400; 5 -автотрансформатор (ЛАТР) TDGC2-3k; б - амперметр; 7 - вольтметр; 8 - термопары, или датчики теплового потока; 9 - адаптер термопар ТЕРЕМ-4; 10 - АЦП; 11 - PC; 12 - барометр; 13 - термометр
Поперечное сечение входного сопла имеет форму прямоугольника 1040x440 мм2. Размер выходного сечения 300x300 мм2. Длина сопла 1000 мм. Внутренняя образующая выполнена по лемнискате. Такая форма образующей обеспечивает минимальные возмущения засасывающего в трубу воздушного потока. Сопло выполнено из дюраля Д-16, внутренняя поверхность отполирована.
Рабочая камера представляет собой канал длиной 1050 мм и сечением 400x400 мм . На одной из боковых стенок предусмотрены два окна, выполненные из органического стекла. Одно из них было монтажным для установки моделей, второе предназначено для визуального наблюдения и расположено непосредственно над моделью. Корпус камеры стальной.
Провода от измерительной модели выводятся из рабочей камеры через щель, расположенную в нижней стенке канала. Щель в свою очередь уплотняется с помощью фторопластовой ленты. Отводные трубы соединены с осевым вентилятором марки ВО-5У2 (мощность 7,5 кВт, напряжение 380 В, сила тока 15 А, частота 3000 об/мин). Изменение скорости потока осуществляется вентиляционной шиберной заслонкой, расположенной за пределами рабочего участка, что практически не сказывалось на равномерности аэродинамических параметров по сечению рабочего канала в месте устанавливаемой модели.
Воздух в аэродинамическую трубу подавался из окружающей среды через лабораторное помещение, которое располагается в подвале здания, поэтому температура его в процессе эксперимента достаточно стабильная и в независимости от времени года лежала в диапазоне 18 -22 С.
Локальный теплообмен отдельно стоящих призм различной относительной высоты
При увеличении калибра до Llla = 6,0 (рисунок 4.8) сводообразный вихрь, образованный за моделью 1, в меньшей степени влияет на модель 2. На передней кромке клина модели 2 начинает проявляться режим клинообразного течения потока. Интенсивность сводообразных вихрей за моделью 1 и 2 продолжает снижаться. На верхней грани модели 2 заметно влияние двух образующихся конусообразных вихрей в виде Х-структур, совершающих спиральное вращение.
Из всего сказанного выше можно сделать вывод о том, что при увеличении калибра между призмами (Llla) картина обтекания воздушным потоком модели 2 приближается к картине обтекания модели 1, а следовательно, и одиночной модели. При этом отчетливо обнаруживаются те же режимы течения, что и при обтекании потоком воздуха отдельно стоящей призмы.
Очевидно, что описанная выше качественная структура сложных отрывных течений будет непосредственно сказываться на характере изменения локального теплообмена. Одной из основных особенностей являются вихревые зоны между призмами. С увеличением калибра (Llla), как показали визуализационные испытания, влияние вихревых зон на модель 2 ослабевает, что в итоге приводит к выравниванию воздушного потока, а следовательно, понижению процессов теплообмена. 4.2 Локальный теплообмен призмы в следе
В данном подразделе приведены результаты экспериментального исследования изменения локального теплообмена по высоте и ширине модели 2 в зависимости от расстояния (Ы1а) до модели 1 и угла атаки воздушного потока ф. Эксперименты проводились на аэродинамическом стенде по методике, изложенной во второй главе настоящей работы.
Схемы расположения исследуемой модели 2 относительно модели 1 при угле атаки воздушного потока ф = 0 представлены на рисунке 4.9.
Так как на рисунках 4.10-4.14 распределение теплообмена по боковым граням (В-С) и (D-A) идентично, то в дальнейшем будут представлены данные только для одной из граней (В-С). Результаты измерения числа Нуссельта (Nu) по высоте и ширине модели 2 на различных гранях при вариации расстояния между призмами и угле атаки воздушного потока ф = 0 представлены на рисунках 4.10-4.13. Для сопоставления результатов использовались данные для отдельно стоящей призмы {Llla —» оо).
На лобовой грани (А-В) при расстоянии между призмами Llla = 0,5 минимальная теплоотдача находится на высоте 0,6у/Н. На верхнюю часть грани (0,7 -1,0)у/Н интенсивно воздействует отрывное течение, которое приводит к резкому увеличению теплообмена до 40 %. На нижнюю часть грани оказывает влияние сводообразный вихрь, образованный от модели 1, вследствие чего в этом месте наблюдается повышенное значение теплообмена (-10 %). При увеличении расстояния до Llla = 1,0 на высоте 0,99у/Нзафиксировано максимальное значение локального коэффициента теплоотдачи, и оно выше на 50 % результатов грани (А-В) отдельно стоящей модели. При дальнейшем увеличении Llla от 1,0 до 6,0 влияние отрывного течения на лобовую грань ослабевает.
На боковой грани (В-С) при расстоянии Llla = 0,5 минимальная теплоотдача находится в интервале (0,3-Ю,7)у/Я, здесь значения коэффициентов слабо изменяются (менее 5 %), верхняя же часть грани (выше 0,7у/Н) находится под воздействием отрывного течения. В основании грани на 0,0\у/Н при расстоянии Llla = 0,5 зафиксировано максимальное значение теплообмена, его величина выше на 70 % по сравнению с данными грани (В-С) отдельно стоящей модели связано это с «поджатием» воздушного потока и увеличением скорости ветра в этой области. При увеличении расстояния Llla от 0,5 до 6,0 теплоотдача на грани увеличивается, что говорит о том, что рециркуляция течения ослабевает.
На кормовой грани (C-D) при расстоянии Llla = 0,5 зафиксировано минимальное значение теплоотдачи на высоте 0,7у//7, и оно ниже на 6 % по сравнению с результатами грани (C-D) отдельно стоящей модели, причина в слабо развитом сводообразном вихре, находящемся за моделью 2. Верхняя часть грани (0,8-Ю,95)у/// попадает в зону действия отрывного течения, образованного моделью 1, теплоотдача на этом участке увеличивается на 18 %, однако на высоте 0,95у/Н происходит присоединение течения, и теплообмен начинает снижаться. При увеличении расстояния до Llla = 3,0 -4,5 в основании грани увеличиваются теплопотери на 22 % под воздействием развивающегося сводообразного вихря, образованного за моделью 2. Далее при расстоянии Llla = 4,5 -6,0 воздействие этого вихря снижается, как и интенсивность теплообмена. В верхней части грани при Llla = 0,5 -6,0 сохраняется наличие сильного отрывного течения.
На лобовой грани (А-В) при увеличении расстояния Llla от 6,0 до 24,0 значение минимального локального коэффициента теплоотдачи постепенно смещается по поперечной координате с 0,7 на 0,&у/Н, происходит это из-за снижения степени влияния сводообразного вихря, образованного от модели 1. Начиная с расстояния Llla = 6,0 график распределения локальных коэффициентов теплоотдачи приобретает черты грани (А-В) отдельно стоящей модели.
На боковой грани (В-С) при увеличении расстояния между призмами Llla от 6,0 до 27,0 графики распределения коэффициентов теплоотдачи очень похожи, наблюдается равномерное снижение теплообмена, которое сопровождается снижением степени влияния вихреобразований между моделями 1 и 2. На этой грани минимальная теплоотдача находится в основании на 0,01у/Н, максимальная - в верхней ее части на высоте 0,99у/Н. Разница между максимальным и минимальным значением локального теплообмена составляет до 32 %.
На кормовую грань (C-D) влияние оказывает не только сводообразный вихрь, образованный за моделью 2, но и отрывное течение, действующее на верхнюю часть грани. По мере увеличения расстояния Llla от 6,0 до 9,0 отрывное течение теряет свою силу, неравномерность распределения теплообмена снижается с 18 до 12 %. При дальнейшем увеличении расстояния Llla от 6,0 до 12,0 максимальный коэффициент теплоотдачи смещается с 0,95 на 0,01у/Н. При расстоянии Llla = 12,0 в верхней части грани отрывное течение отсутствует.
Средний по граням теплообмен призмы в следе
При самых коротких расстояниях между моделями Llla = 0,5 и Llla = 0,5 (рисунок 5.11) на лобовой грани (А-В) наблюдается возрастание теплообмена около ребра А на 0,05x4/ до 30 % и его снижение - около ребра В на 30 % по сравнению с результатами при Llla = 0,0. Ребро А попадает под воздействие сильных вихреобразований между моделями 1 и 2. При увеличении смещения Llla от 0,5 до 2,0 происходит подавление теплообмена, распределение которого начинает соответствовать грани (А-В) отдельно стоящей модели.
При этих же расстояниях на боковой грани (В-С) происходит незначительное увеличение локальных коэффициентов теплообмена. Минимальный коэффициент теплоотдачи находится у ребра С на 0,95x4/, грань поподает в зону действия первичного отрывного течения. При увеличении смещения Llla от 0,5 до 2,0 график распределения локальных коэффициентов теплообмена слабо изменяется, постепенно приобретая черты грани отдельно стоящей модели.
По ширине кормовой грани (C-D) при смещении на Llla = 0,5 график распределения теплообмена немного видоизменяется со смещением минимального локального коэффициента теплоотдачи с 0,5 на 0,275 х/а и максимального - на 0,95x4/. На эту грань в основном действует только сводообразный вихрь, образованный за моделью 2, прослеживается небольшое его смещение к ребру D. При увеличении смещения Llla от 0,0 до 2,0 график распределения теплообмена становится симметричным, его значения ниже, чем при Llla = 0,0, что говорит о снижении степени влияния сводообразного вихря. Теплообмен на грани слабо изменяется от калибра смещения Llla (менее 13 %).
Боковая грань (D-A) подвержена максимальному влиянию отрывных течений и вихреобразований между моделями 1 и 2. По ширине грани при смещении Llla = 0,5 локальный теплообмен возрастает до 70 % около ребра А (0,95х/а) по сравнению с результатами при Llla = 0,0. При увеличении смещения Llla от 0,5 до 2,0 теплообмен снижается, степень влияния вихреобразований уменьшается, распределение теплообмена приобретает черты грани (D-A) отдельно стоящей модели.
При малых расстояниях между моделями L\/a=\,0 и Llla = 0,5 (рисунок 5.12) на лобовой грани (А-В) наблюдается возрастание значений локальных коэффициентов теплоотдачи до 12 % около ребра А на 0,05x4/ и снижение его величины на 13 % около ребра В на 0,95x4/ по сравнению с результатами при Llla = 0,0. Ребро А попадает под воздействие сильных вихреобразований между моделями 1 и 2. При увеличении смещения Llla от 0,5 до 2,0 происходит ослабление степени влияния вихреобразований, и теплообмен снижается, его распределение приобретает черты грани (А-В) отдельно стоящей модели.
При этих же расстояниях по ширине боковой грани (В-С) значения локальных коэффициентов теплообмена несколько выше, чем при Llla = 0,0 (около 3 %), графики распределения теплообмена практически совпадают. При увеличении смещения Llla от 0,5 до 2,0 грань выходит из следа впередистоящей модели, попадая под действие первичного отрывного течения, из-за чего происходит резкое снижение теплообмена около ребра А, распределение локальных коэффициентов теплообмена приобретает черты грани (В-С) отдельно стоящей модели.
По ширине кормовой грани (C-D) график распределения теплообмена видоизменяется со смещением минимального локального коэффицтента теплоотдачи с 0,5 на 0,275 х/а и максимального - на 0,95x4/. На грань в основном действует только сводообразный вихрь, образованный за моделью 2, прослеживается его смещение к ребру D. При увеличении смещения L2la от 0,0 до 2,0 теплообмен возрастает, что говорит об увеличении степени влияния сводообразного вихря на эту грань. Теплообмен на грани при смещении L2la = 2,0 значительно выше, чем без смещения при L2la = 0,0.
Боковая грань (D-A) подвержена максимальному влиянию отрывных течений и вихреобразований между моделями 1 и 2, по ширине грани локальный теплообмен возрастает до 50 %, около ребра А - на 0,95 х/а по сравнению с результатами при L2la = 0,0. При увеличении смещения L2la от 0,5 до 2,0 степень влияния вихреобразований, действующих на эту грань, снижается, как и величина теплообмена, график распределения локальных коэффициентов теплоотдачи приобретает черты грани (D-A) отдельно стоящей модели.
При средних расстояниях между моделями Ы1а =3,0 и L2la = 0,5 (рисунок 5.13) на лобовой грани (А-В) наблюдается интенсификация локальных коэффициентов теплоотдачи. Около ребра А теплообмен несколько выше, чем у ребра В. Ребро А все еще находится под воздействием вихреобразований между моделями 1 и 2. При смещении на L2la =1,0 наблюдается наибольший теплообмен от этой грани. При дальнейшем увеличении смещения L2la = 1,0-К2,0 происходит ослабление степени влияния отрывных течений и вихреобразований, теплообмен снижается, график распределения теплообмена становится симметричным, постепенно приобретая черты грани (А-В) отдельно стоящей модели.
При таких же условиях на боковой грани (В-С) значения локальных коэффициентов теплообмена несколько ниже, чем при L2la = 0,0 (на 6 %). При увеличении смещения L2la от 0,5 до 2,0 грань попадает под действие первичного отрывного течения, происходит небольшое снижение теплообмена, распределение которого имеет схожие черты грани (В-С) отдельно стоящей модели.
По ширине грани (C-D) распределение теплообмена симметричное при всех калибрах смещения L2la. На грань в основном действует только сводообразный вихрь от модели 2. При увеличении смещении L2la от 0,5 до 1,0 происходит снижение степени воздействия этого вихря и интенсивности теплообмена. При дальнейшем увеличении L2la от 1,0 до 2,0 теплообмен возрастает из-за увеличения площади влияния сводообразного вихря. Величина локального теплообмена по ширине грани при смещении L2la = 2,0 значительно выше, чем при L2la = 0,0.
Грань (D-A) также подвержена максимальному влиянию отрывных течений и вихреобразований между моделями 1 и 2, по ширине грани при смещении L2la = 0,5 локальный теплообмен возрастает на 25 % около ребра А на 0,95 х/а по сравнению с результатами при L2la = 0,0. При увеличении смещения до L2la = 0,5 -1,0 степень влияния вихреобразований усиливается, что приводит к росту теплообмена уже до 40 % на 0,95x4/. При дальнейшем увеличении смещения L2la от 1,0 до 2,0 снижается как теплообмен, так и степень влияния вихреобразований, график распределения локальных коэффициентов теплоотдачи приобретает черты грани (D-A) отдельно стоящей модели.
При больших расстояниях между моделями L\/a=3,0 и смещении Llla = 0,5 (рисунок 5.14) на лобовой грани (А-В) значения теплообмена несколько выше, чем при Llla = 0,0, график его распределения симметричный. По мере увеличения смещения до Llla = 1,0 значения локальных коэффициентов теплоотдачи увеличиваются до 13 % по сравнению с результатами при Llla = 0,0, грань находится в вихревом потоке, образованным моделью 1, степень его воздействия снижается при дальнейшем увеличении калибра смещения Llla от 1,0 до 2,0.
На боковой грани (В-С) при смещении на Llla = 0,5 происходит увеличение значений локальных коэффициентов теплообмена, эта грань также находится под действием вихревого течения, образованного моделью 1. При увеличении смещения Llla от 0,5 до 2,0 грань выходит из следа впередистоящей модели, попадая под действие первичного отрывного течения, из-за чего наблюдается снижение теплообмена, и график его распределения приобретает черты грани (В-С) отдельно стоящей модели.
По ширине кормовой грани (C-D) распределение симметричное. На эту грань при смещении на L2la = 0,5 интенсивно воздействует сводообразный вихрь, образованный за моделью 2. При увеличении смещения L2la от 0,5 до 2,0 происходит снижение степени воздействия этого течения, величина теплообмена при этих смещениях значительно выше, чем при L2la = 0,0.
При большом расстоянии между моделями боковая грань (D-A) все еще подвержена влиянию отрывных течений и вихреобразований между моделями 1 и 2. При смещении на L2la = 0,5 по ширине грани теплообмен возрастает до 10 % около ребра А на 0,725 х/а по сравнению с результатами при L2la = 0,0. При увеличении смещения L2la = 0,5- 1,5 степень влияния вихреобразований усиливается, что приводит к росту теплообмена с 10 до 25 % на 0,725x4/. При последующем смещении L2la= 1,5-К2,0 теплообмен снижается, но грань остается подверженной вихревому течению, образованному от модели 1.
В целом при увеличении смещения L2la от 0,0 до 2,0 происходит интенсификация локальных коэффициентов теплообмена по граням модели 2. Сильное изменение по распределению теплообмена наблюдается при максимальном сближении Llla = 0,5 -1,0 и небольшом смещении L2la = 0,5 моделей, когда модель попадает в сильное вихревое течение, образованное моделью 1.
При увеличении смещения L2la распределение локальных коэффициентов теплообмена по граням модели 2 приобретает черты граней отдельно стоящей модели, это говорит о том, что режим течения около модели 2 выравнивается и начинает соответствовать режиму отдельно стоящей призмы на плоскости.