Введение к работе
Актуальность темы.
В настоящее время, задача тепло- и энергосбережения входит в перечень приоритетных направлений развития науки и технологий РФ. Внедрение в промышленность энергосберегающих технологий требует создания более эффективного энергетического оборудования, обладающего повышенной надежностью. Одним из важных аспектов является проблема пассивной интенсификации теплообмена с помощью организации отрыва потока и возможности управления процессом тепломассопереноса. Пассивные интенсификаторы теплообмена отличаются простотой изготовления и высокой надёжностью. Широкое их использование в теплоэнергетическом оборудовании - теплообменниках, ядерных реакторах, камерах сгорания, каналах охлаждения газотурбинных установок - требует глубокого понимания структуры течения и тепломассообмена при вариации геометрии обтекаемого препятствия и термогазодинамических параметров внешнего потока.
Ввиду их чрезвычайной практической важности, турбулентные отрывные течения уже давно привлекают к себе пристальное внимание исследователей. Наличие циркуляционного пристеночного слоя в отрывном сдвиговом потоке за обратным уступом или при внезапном расширении круглой трубы сильно влияет на структуру вихреобразования и процессы энергообмена. Несмотря на относительную простоту данного типа течения, ряд аспектов этой проблемы остается слабоизученным и противоречивым. Это объясняется многофакторностью и сложностью механизма турбулентного отрыва потока в ограниченном канале, связанного с искривлением линий тока, реверсированием потока, присутствием вибраций, значительного градиента давления, наличием высокого уровня турбулентных пульсаций и пульсаций давления. Итон, Джонстон (1981) выделяют ряд параметров, влияющих на отрыв и присоединение потока: 1 - состояние отрывающегося пограничного слоя; 2 - толщина пограничного перед отрывом слоя; 3 - величина турбулентности во внешнем невозмущённом потоке; 4 - продольный градиент давления; 5 - степень расширения канала. Несмотря на то, что проблема обозначена и сформулирована уже достаточно давно, до сих пор не проводилось систематических исследований влияния данных параметров на гидродинамические и тепловые характеристики отрывных потоков в трубах, что является на сегодняшний день актуальной и практически важной задачей.
Цель диссертации заключается в изучении воздействия различных факторов на динамику турбулентного отрывного течения и теплообмен в круглой трубе, таких как: форма одиночного турбулизатора, наличие динамической и тепловой предыстории, продольный градиент давления, наличие минитурбулизаторов перед отрывом.
Задачи исследований, определяемые целью диссертации:
-
Адаптировать пакет прикладных программ ANSYS-FLUENT для решения класса задач, связанных с турбулентными отрывными течениями.
-
Исследовать влияние формы поперечного сечения кольцевой диафрагмы на структуру потока и теплообмен в цилиндрическом канале.
-
Изучить характеристики турбулентного течения и теплообмена в трубе с внезапным расширением под воздействием динамической и тепловой предыстории потока.
-
Провести исследование влияния геометрических масштабов расширения круглой трубы и положительного градиента давления на структуру течения и характеристики турбулентного теплообмена в области, следующей за внезапным расширением.
-
Исследовать действие минитурбулизаторов на характеристики основного отрывного потока и теплообмен в трубе с внезапным расширением.
Научная новизна диссертации:
Подробно исследована структура течения и теплообмен в трубе при наличии диафрагм различной конфигурации. Показано существенное различие в характере обтекания преград различной формы поперечного сечения, а так же в их теплогидравлической эффективности.
Впервые изучено влияние динамической и тепловой предыстории потока на структуру течения и теплообмен в трубе с внезапным расширением. Установлено, что увеличение толщины динамического пограничного слоя приводит к росту масштаба рециркуляционной области, и к снижению интенсивности теплообмена. При наличии тепловой предыстории определено снижение теплообмена после внезапного расширения канала.
Выполнено систематическое исследование влияния степени расширения канала и продольного градиента давления на динамические характеристики потока и турбулентный теплообмен в трубе с внезапным расширением. Найдено, что при увеличении степени расширения теплообмен становится менее интенсивным, координаты точек присоединения и максимального значения коэффициента теплоотдачи Numax сдвигаются вниз по потоку.
Показано, что рост продольного градиента давления приводит к увеличению размеров отрывной области и значительному снижению теплоотдачи.
Исследован процесс взаимодействия двух отрывных потоков различных масштабов в трубе с внезапным расширением. Установлено, что дополнительный турбулизирующий элемент в виде малой диафрагмы приводит к кардинальным изменениям структуры рециркуляционной зоны в канале за уступом, смещению точки присоединения потока и соответственно, к перераспределению коэффициентов тепломассоотдачи. Приближение минитурбулизатора к точке отрыва приводит к увеличению размеров рециркуляционной области и повышению интенсивности теплообмена. Увеличение высоты минитурбулизатора аналогичным образом сказывается на характеристиках отрывного течения.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
-
Результаты численного исследования структуры течения и теплообмена при обтекании одиночных диафрагм различной конфигурации в трубе.
-
Влияние динамической и тепловой предыстории потока на турбулентное отрывное течение и теплообмен в цилиндрическом канале с внезапным расширением.
-
Результаты численного исследования влияния степени расширения и продольного градиента давления на теплообмен в круглом канале с внезапным расширением.
-
Анализ перспективы интенсификации теплообмена в круглой трубе с внезапным расширением при наличии дополнительного интенсификатора.
Достоверность полученных в диссертации результатов подтверждается сравнением с экспериментами и аналитическими данными различных авторов, как: Леонтьев (1984); Ota (1987); Даррет (1989); Копке (1982); Kuehn (1980); Мун (1977); Кталхерман (1970); Driver (1982). Достигнуто хорошее и качественное, и количественное согласие с результатами этих работ. Проведены предварительные тестовые расчёты, результаты которых сравнивались с аналитическими данными и экспериментами следующих авторов: Даррет (1989); Поляков (1996); Кталхерман (1970). Основные характеристики течения, профили турбулентных пульсаций, распределение коэффициентов теплоотдачи показали хорошее соответствие экспериментальным данным вышеперечисленных исследователей.
Практическая значимость.
Уменьшение размеров и веса теплообменных аппаратов, а также повышение их износостойкости тесно связаны с необходимостью интенсификации процесса теплопередачи. Одним из возможных применений результатов работы является выбор формы и параметров оребрения для компактных теплообменников. В работе на основе комплексного исследования течения в трубе показано, что, варьируя параметры внешнего потока и изменяя геометрию отрывного течения, можно эффективно управлять динамикой и теплоотдачей отрывного потока. Полученные в результате численного эксперимента данные могут быть полезны при исследовании отрывных течений в схожих условиях.
Данные, представленные в диссертации, могут быть использованы при проектировании и усовершенствовании теплообменных устройств и микроэлектронной аппаратуры. Они могут быть полезны при усовершенствовании проточных трактов авиационных и ракетных двигателей, сопел и воздухозаборников летательных аппаратов и генераторах низкотемпературной плазмы.
Результаты исследований представлены в виде корреляционных соотношений, которые могут быть использованы для инженерных расчётов, а также для проведения предварительной оценки отрывных течений со сложными граничными условиями.
Апробация работы.
Основные результаты диссертации были представлены на 15-ти всероссийских и международных конференциях:
IX, X, XI Всероссийских школах-конференциях молодых учёных «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (Россия, Новосибирск, 2006, 2008, 2010); XVI, XVII, XVIII, XIX Школах-семинарах молодых учёных и специалистов под руководством ак. А. И. Леонтьева (Россия, 2007, 2009, 2011, 2013) Всероссийская школа-семинар молодых учёных «Физика неравновесных процессов в энергетике и наноиндустрии». (Россия, Новосибирск, 2007); VI Минский Международный Форум по тепломассообмену. (Беларусь, Минск, 2008); VI Школа-семинар молодых учёных и специалистов под руководством академика РАН В.Е. Алемасова (Россия, Казань, 2008); 6th, 7th International Conferences on Computational Heat and Mass Transfer. (China, 2009; Turkey, 2011); XXII Юбилейный семинар с международным участием по струйным, отрывным и нестационарным течениям (Россия, Санкт-Петербург. 2010); 14-th Int. Heat Transfer Conf, Washington D.C., USA. 2010; Advances in Computational Heat Transfer, СНГ-12 (Bath, England 1-6 July 2012).
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 25 работ: из них 5 - в изданиях, вошедших в перечень ВАК; 2 - в научных зарубежных журналах; 18 - в сборниках зарубежных и отечественных научных конференций.
Личный вклад автора заключается в анализе существующих теоретических, экспериментальных и численных работ по теме диссертации; адаптации программного комплекса для расчёта турбулентных отрывных течений; проведении численных исследований; обработке и анализе полученных результатов; оформлении публикаций по результатам исследований.
Структура, объем и содержание диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованных источников из 142 наименований. Полный объем диссертации -170 страниц, включая 89 рисунков и 4 таблицы.
