Пространственно-временная структура потока в каналах с элементами дискретной шероховатости на ламинарном и переходном режимах течения

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 [ 1 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.

1. 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.

2. На основе экспериментальных исследований, включающих визуализацию течения, термоанемометрические измерения параметров 4 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.

3. 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.

4. Выявлены закономерности изменения осредненных характеристик течения в исследуемом диапазоне чисел Рейнольдса: продольного размера рециркуляционной области, интегрального временного масштаба вихревых структур.

5. 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 (05−02−16 263- 07−08−330-), 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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].

1. Алемасов В. Е., Глебов Г, А., Козлов А. П. Термоанемометрические методы исследования отрывных течений. — Казань: Казанский филиал АН СССР.- 1990. 178 с.

2. Альбом течений жидкости газа // Сост. М. Ван-Дайк. М.:Мир- 1986— 184с.

3. Бойко А. В., Грек Г. Р., Довгаль А. В., Козлов В. В. Возникновение турбулентности в пристенных течениях. Новосибирск: Наука. Сиб. предприятие РАН. 1999, — 328 с.

4. Гей C.JT. Заметка о течении с малой скоростью перед уступом // Теоретические основы. 1978.-Т.100, № 1. С.253−254.

5. Гортышов Ю. Ф., Олимпиев В. В., Байгалиев Б. Е. Теплогидравлический расчет и проектирование оборудования с интенсифицированным теплообменом. Казань: Изд-во Казан. Гос. техн. ун-та, 2004. 432 с.

6. Диковская И. Д., Довгаль А. В., Сорокин A.M. Переход к турбулентности и образование регулярных вихрей в зоне отрыва пограничного слоя // Теплофизика и аэромеханика- 1999 т.6, № 1. — С.27−36.

7. Диковская И. Д., Довгаль А. В., Сорокин A.M. Переход к турбулентности и образование регулярных вихрей в зоне отрыва пограничного слоя // Теплофизика и аэромеханика- 1999 т.6, № 1. — С.27−36.

8. Довгаль А. В., Козлов В. В. Устойчивость отрывного течения при обтекании поверхности с точкой излома // Докл. АН СССР- 1983.— Т.270 (6).~ С.1356−1358.

9. Довгаль А. В., Козлов В. В., Симонов О. А. Развитие пространственного волнового пакета возмущений в пограничном слое скользящего крыла // Изв. СО АН СССР. Серия технических наук.- 1988 вып.3(11)-С.43−47.

10. Довгаль А. В., Козлов В. В., Симонов О. А. Устойчивость трехмерного течения с отрывом потока от излома поверхности // Изв. СО АН СССР. Серия технических наук 1988 — вып. 1(4).- С.17−21.

11. Довгаль А. В., Сорокин A.M. Неустойчивость течения в зоне отрыва ламинарного пограничного слоя к сходу периодических вихрей //Теплофизика и аэромеханика 2001. Т.8, № 2 — С.189−197.

12. Довгаль А. В., Сорокин A.M. Экспериментальное моделирование периодического вихреобразования при отрыве течения за уступом поверхности // Теплофизика и аэромеханика 2002 — т.9, № 2. — С.193−201.

13. Итон Д. К., Джонстон Дж.П. Обзор исследований дозвуковых турбулентных присоединяющихся течений // Ракетная техника и космонавтика. 1981. Т. 19. № 10. С.7−19.

14. Козлов А. П. Михеев Н.И. Молочников В. М., Давлетшин И. А. Процессы переноса импульса и теплоты в пристенных турбулентных течениях // Тр. 3-й Рос. Нац. конф. по теплообмену. Москва, 21−25 октября 2002 г. Москва: Изд.МЭИ. Т.2. С. 174−177.

15. Козлов А. П. Проявление трехмерности в двумерных отрывных течениях//Докл. РАН. 1994. Т.338. № 3. С.337−339.

16. Козлов А. П., Михеев Н. И., Молочников В. М., Сайкин А. К. Термоанемометрические измерения поверхностного трения в отрывных течениях. Казань: АБАК, 1998. 134 с.

17. Козлов А. П., Михеев Н. И., Молочников В. М., Сайкин А. К. Характеристики вектора поверхностного трения в турбулентных отрывных и присоединяющихся течениях // Известия РАН. Энергетика.-1998. -№ 4. -С.3−31.

18. Козлов В. В. Физические процессы в потоках // Физика и студенты.-Новос. гос. ун-т.- http://psi.nsu.ru/lector/kozlov/article/97part3.html.

19. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров // М.: Главная редакция физико-математической литературы, 1984. 832 с.

20. Леонтьев А. И., Гортышов Ю. Ф., Олимпиев В. В., Попов И. А. Эффективные интенсификаторы теплоотдачи для ламинарных (турбулентных) потоков в каналах энергоустановок // Изв. РАН. Энергетика.- 2005. № 1. С.75−91.

21. Михеев Н. И., Молочников В. М., Кратиров Д. В., Хайрнасов К. Р. Основы метода термоанемометрических измерений без градуировки датчика// Изв. РАН Энергетика. 2008. № 5 С.34−38.

22. Михеев Н. И., Молочников В. М., Паерелий А. А., Хайрнасов К. Р. Визуализация и измерения параметров потока при ламинарном обтекании препятствий в канале // Вестник КГТУ им. А. Н. Туполева. 2008. № 2(50). С.12−15.

23. Молочников В. М., Михеев Н. И., Паерелий А. А., Хайрнасов К. Р. Отрыв потока за выступом в канале при ламинарном режиме течения // Теплофизика и аэромеханика. 2008. Т. 15. № 4, С.611−621.

24. Молочников В. М., Михеев Н. И., Давлетшин И. А., Паерелий А. А. Гидродинамические и тепловые процессы в отрывных течениях за препятствиями при организации пристенных струй // Изв. РАН Энергетика. 2008. № 1. С.137−144.

25. Молочников В. М., Михеев Н. И., Паерелий А. А. Визуализация ламинарных отрывных течений / // Материалы VII Межд. Школы-семинара «Модели и методы аэродинамики. Евпатория, 5−14 июня 2007 г. М.: МЦНМО. 2007. С. 192−193.

26. Монин А. С., Яглом A.M. Статистическая гидромеханика. 4.2. М.: Наука. 1967. 720 с.

27. Назмеев Ю. Г. Теплообмен при ламинарном течении жидкости в дискретно-шероховатых каналах. М.: Энергоатомиздат, 1998. 376 с.

28. Нейланд В. Я., Столяров Г. И. Об одном виде отрывного течения на прямоугольном крыле малого удлинения // Учен. зап. ЦАГИ. 1982 — Т.13, № 1- С.83−88.

29. Нейланд В. Я., Столяров Г. И., Табачников В. Г. Влияние относительной толщины прямоугольного крыла малого удлинения и числа Рейнольдса на режимы перестройки структуры обтекания // Учен. зап. ЦАГИ. -1985; Т.16, №−3.-С.1−10.

30. Паерелий А. А. Структура ламинарного отрыва потока в канале за системой выступов // Материалы XV Международной молодежной научной конференции «Туполевские чтения». 9−10 ноября 2007 г. Изд-во Казан: гос. техн. ун-та, 2007, Т.1, С. 296−298.

31. Терехов В. И., Ярыгина Н. И., Жданов Р. Ф. Особенности течения и теплообмена при отрыве потока за уступом и ребром. 1. Структура течения//ПМТФ.-2002.-Т.43, № 6−126−133.

32. Aidun С.К. Triantafillopoulos N.G., Benson J.D. Global stability of a lid-driven cavity with through flow. Flow visualization studies // Phys. Fluids A.- 1991. V.3, N9, PP.2081;2091.

33. Armaly B.F., Durst F., Pereira J.C.F., Schoenung B. Experimental and theoretical investigation of backward-facing step flow // J. Fluid Mech.-1983. Vol.127. P.473−496.

34. Armaly B.F., Li A., Nie J.H. Measurements in three-dimensional laminar separated flow // Int. J. Heat Mass Transfer 2003. N 46. P.3573−3582.

35. Arnal M., Friedrich R. Large-Eddy Simulation of a Turbulent Flow with Separation / 8th Int. Symp. «Turbulent Shear Flows 8». 1993. Pp.169−187.

36. Arnal M., Friedrich R. The Instantaneous Structure of a Turbulent Flow overa Back-Ward-Facing Step / Separated Flows and Jets. Springer-Verlag, Berlin, 1991. Pp.709−717.

37. Chiang T.P., Sheu T.W.H. A numerical revisit of backward-facing step flow problem // Physics of Fluids.- 1999. Vol. l 1, No.4. P:862−874.

38. Dovgal A.V., Kozlov V.V., Michalke A. Laminar boundary layer separation: instability and associated phenomena // Prog Aerospace Sci.- 1994. 30.-Pp.61−94.

39. Eaton J.K., Johnston J.P. Low Frequency Unsteadiness of a Reattaching Turbulent Shear Layer // Proceedings of the Third International Symposium on Turbulent Shear Flows, Davis, CA, Sept. 1981. Pp.162−170.

40. Gaster M. The structure and behaviour of laminar separation bubbles / Proc. Conf. AGARD, Rhode-Saint-Genese, Belgium, 10−13 May 1966, paper no.4. Pp.813−854.

41. Gortler H. Dreidimensionales zur Stabilitatststheorie laminarer Grenzshichten // ZAMM. 1955. Vol.35. P.326−364.

42. Haggmark C.P., Bakchinov A.A., Alfredsson P.H. Experiments on a two-dimensional laminar separation bubble // Phil. Trans. R. Soc. Lond. A.-2000.-359.-Pp.3193−3205.

43. Hammad K.J., Otugen M.V., Arik E.B. The Laminar Axisymmetric Sudden Expansion Flow: A PIV Study / JSME International Conferenceon Fluid Engineering, Tokyo, Japan, July 13−16, 1997, — P.675−680.

44. Hasan M.A.Z. The flow over a backward-facing step under controlled perturbation: laminar separation // J. Fluid Mech.- 1992. 238. Pp.73−96.

45. Huang H.T., Fiedler H.E. A DPIV Study of a Starting Flow Downstream of a Backward-Facing Step // Experiments in Fluids. 1997. 23. Pp.395−404.

46. Kiya M., Mochizuki O., Tamura H., Nozawa Т., Ishikawa R., Kushioka K. Turbulence properties of an axisymmetric separation-and-reattaching flow // AIAA J.-1991. Vol.29.-P.936−941.

47. Le H., Moin P., Kim J. Direct Numerical Simulation of Turbulent Flow overa Backward-Facing Step // J. Fluid Mech. 1997, — 330. Pp.349−374.

48. Pauley L.L., Moin P., Reynolds W.C. The structure of two-dimensional separation // J. Fluid Mech.- 1990. 220. Pp.397−411.

49. Pronchick S., Kline S. An Experimental Investigation of the Structure of a Turbulent Reattaching Flow Behind a Backward-Facing Step // Stanford University. Mechanical Engineering Dept. Rept. MD-42. 1983.

50. Ramanan N., Homsy G.M. Linear stability of lid-driven flow // Phys. Fluids.- 1994. V.6, N8. PP.2690−2701.

51. Sigurdson L.W., Roshko A. The structure and control of a turbulent reattaching flow / Turbulence Management and Relaminarization.- Springer-Verlag, 1988. P.497−514.

52. Spazzini P.G., Iuso G., Onorato M. et al. Unsteady Behaviour of Back-Facing Step Flow // Experiments in Fluids. 2001. 30. Pp.551−561.

53. Stiier H. Investigation of separation on a forward facing step / Schriftenreihe des Instituts fur Hydromechanik und Wasserwirtschaft. Zurich. 1999;Band 5.— 170 s.

54. Tafti D.K., Vanka S.P. A Numerical Study of Flow Separation and Reattachment on a Blunt Plate // Phys. Fluids A. 1991. Vol.3. No.7. Pp. 1749−1759.

55. Tafti D.K., Vanka S.P. A Three-Dimensional Numerical Study of Flow Separation and Reattachment on a Blunt Plate // Phys. Fluids A. 1991. Vol.3. No. 12. Pp.2887−2909.

56. Zanin B.Yu., Kozlov V.V., Zverkov I.D., Pavlenko A.M. Receptivity of subsonic separated flows to external influence // Proc. 13th Int. Conf. On the Methods of Aerophysical Research. Pt 1. Novosibirsk: Publ. House «Parallel» .- 2007. P. 210−215.