№ 1
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2008
УДК 536.532
© 2008 г. МОЛОЧНИКОВ В.М., МИХЕЕВ Н.И., ДАВЛЕТШИН И.А., ПАЕРЕЛИЙ A.A.
ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ И ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ В ОТРЫВНЫХ ТЕЧЕНИЯХ ЗА ПРЕПЯТСТВИЯМИ ПРИ ОРГАНИЗАЦИИ ПРИСТЕННЫХ СТРУЙ *
Выполнены измерения гидродинамических и тепловых параметров в области отрыва потока за обращенным назад уступом или выступом при организации пристенных струй, формирующихся за счет перетока воздуха из внешнего течения в донную область препятствия. Получены экспериментальные данные о воздействии высокоскоростной (сосредоточенный вдув) и низкоскоростной (распределенный вдув) пристенной струи на размеры отрывной области, турбулентную вихревую структуру течения, статистические характеристики поверхностного трения и теплоотдачи в рециркуляционной области. Показано, что организация пристенных струй может использоваться для управления гидродинамическими и тепловыми процессами при обтекании препятствий.
Введение. Для интенсификации теплообмена в трактах турбомашин, теплообменников и других технических устройств используются элементы дискретной шероховатости (препятствия), которые как правило, инициируют формирование областей отрыва потока вблизи стенок канала. В большинстве исследований пристенных отрывных течений рассматриваются "канонические" случаи: отрыв потока за обращенным назад уступом или выступом. Турбулентные отрывные течения за обращенным назад уступом или выступом являются классическими примерами двумерного отрыва потока с фиксированной точкой отрыва и замкнутой отрывной областью. Они сохраняют все черты отрывных течений и используются в качестве тестовой задачи в теоретических и экспериментальных исследованиях. На сегодняшний день существует обширная экспериментальная информация о структуре течения и характеристиках теплообмена в областях отрыва потока за обратным уступом и выступом. Установлено, что мгновенное поле течения в областях отрыва и присоединения потока является существенно трехмерным даже при двумерности основного потока. Получены и систематизированы характеристики поверхностного трения как двумерной векторной величины [1]. Установлена консервативность конечномерных характеристик распределения модуля и компонент вектора поверхностного трения к условиям возникновения отрыва потока. Выполнены исследования влияния числа Рейнольдса [2, 3], толщины пограничного слоя на поверхности обратного уступа перед точкой отрыва потока [4], степени турбулентности внешнего потока [5, 6], наложенного градиента давления [7, 8] на турбулентную и вихревую структуры течения за обратным уступом и выступом. Получены данные о распределении осредненного коэффициента теплоотдачи и интенсивности пульсаций теплового потока по длине рециркуляционной области [1]. Выявлены особенности пространственно-временной взаимосвязи гидродинамических
* Работа выполнена при финансовой поддержке грантов РФФИ № 06-08-00521, № 05-02-16263, № 0708-00330 и гранта Президента РФ по поддержке ведущих научных школ НШ-8574.2006.8.
им Я100 10 1 яз
30 40
— 400
и
Я100 2 10 1
х
К
щ 400
Рис. 1. Схема обратного уступа: а - при организации высокоскоростной пристенной струи (сосредоточенный вдув); б - при организации низкоскоростной пристенной струи (распределенный вдув)
а
У
У
2
к
к
х
и тепловых параметров, в т.ч. и при воздействии наложенного продольного градиента давления.
Однако за пределами исследований остается случай отрывного обтекания обратного уступа или выступа при наличии зазора между препятствием и стенкой, на которой он расположен. Изучение таких течений, сочетающих особенности обтекания препятствий и течения за плохообтекаемыми телами или телами с затупленной задней кромкой, расположенными вблизи стенки, имеет фундаментальное и прикладное значения. С одной стороны, важно выяснить, сохраняются ли закономерности гидродинамической и тепловой структуры потока в рециркуляционной области, установленные для классического случая обтекания такого рода препятствий. С другой стороны, организацию перепуска рабочей среды из области внешнего потока в отрывную зону за счет создания зазора нормированной величины между препятствием и стенкой канала можно рассматривать как способ пассивного управления течением и теплообменом за препятствиями (элементами дискретной шероховатости), используемыми в качестве интенсификаторов теплообмена.
Наличие зазора между препятствием и стенкой канала может формировать в отрывной области (в зависимости от конструктивного исполнения препятствия) высокоскоростную или низкоскоростную пристенную струю. Априори неясно, какое влияние тот или иной вариант струи окажет не только на характеристики течения и теплообмена за препятствием, но и на сами размеры отрывной области.
Целью настоящего исследования является получение экспериментальных данных о влиянии высоко- и низкоскоростной пристенной струй, формируемых за счет организации перепуска рабочей среды из внешнего потока в донную область препятствия (обращенного назад уступа или выступа) через зазор между препятствием и стенкой канала, на турбулентную вихревую структуру и характеристики теплообмена в рециркуляционной зоне.
Экспериментальное оборудование и методика исследований. Эксперименты проводились в дозвуковой аэродинамической трубе разомкнутого типа. Рабочий участок трубы, в котором проводились исследования течения и теплообмена за обращенным назад уступом, имел прямоугольное поперечное сечение 200 х 400 мм2. Обратный уступ высотой 30 мм занимал всю ширину рабочего участка. Стенка, на которой проводились измерения теплового потока за уступом, нагревалась, ее температура в экспериментах поддерживалась постоянной. Пристенная струя в донной области обратного уступа формировалась за счет организации перетока воздуха из области внешнего течения в рециркуляционную зону через щель (зазор), сформированную между уступом и стенкой рабочего участка. При организации высокоскоростной струи (сосредоточенный вдув) щель располагалась непосредственно на срезе уступа (рис. 1,а), при формировании низкоскоростной струи (распределенный вдув) - вблизи его входной кромки (рис. 1,6). Геометрия обратного уступа при сосредоточенном и распределенном вдуве и его основные геометрические размеры показаны на рис. 1. Поверх-
У \шшшшшш
и ° К / 45° о о
У////////////////////М шшшшш ш 1 6
Рис. 2. Схема выступа
ность уступа была изготовлена из пластины 1 толщиной 10 мм, размер щели кщ варьировался специальными вкладышами 2 толщиной 2 мм (0,066й) каждый без изменения высоты уступа к.
Воздействие высокоскоростной струи на структуру течения за выступом исследовалось в рабочем участке прямоугольного поперечного сечения 100 х 130 мм2. Выступ высотой к = 20 мм занимал всю ширину рабочего участка (рис. 2). Щель формировалась между выступом и стенкой рабочего участка, на которой проводились измерения вектора поверхностного трения. Размер щели изменялся перемещением выступа в направлении, перпендикулярном стенке участка.
В экспериментах число Рейнольдса, вычисленное по высоте уступа (выступа) и скорости набегающего потока, изменялось в диапазоне Яек = 1,5^5 х 104. Были измерены профили скорости и интенсивности ее турбулентных пульсаций в рабочих участках аэродинамической трубы в месте установки обратного уступа (выступа). Установлено, что толщина пограничного слоя перед обратным уступом в исследуемом диапазоне чисел Яе составляет от 22 до 18 мм, перед выступом - от 13,8 до 11 мм соответственно. В пределах ядра потока средняя скорость и уровень ее турбулентных пульсаций остаются неизменными, интенсивность пульсаций скорости составляет в обоих случаях 1%. Профили осредненной скорости и пульсаций продольной составляющей скорости являются характерными для развитого турбулентного пограничного слоя в плоском канале на начальном участке течения.
Поверхностное трение за обратным уступом и выступом измерялось при помощи термоанемометрического датчика мгновенного вектора поверхностного трения. Подробное описание устройства, обоснование работы и результаты тестовых испытаний датчика приведены в [9]. При измерениях коэффициента теплоотдачи за обратным уступом использовался пристеночный датчик теплового потока [1]. Работа датчиков поддерживалась стандартной аппаратурой БКА 55М. Перед измерениями проводилась прямая градуировка измерительных каналов датчиков в потоке с известными параметрами. Сбор и обработка опытных данных выполнялись при помощи автоматизированной системы, включающей ПЭВМ и восьмиканальный аналого-цифровой преобразователь с параллельным опросом каналов. Система позволяет проводить опрос каналов с частотой до 15 кГц. В настоящих исследованиях частота опроса измерительных каналов датчиков составляла 5 кГц, время опроса - 2 с.
Результаты исследований и обсуждение. На рис. 3 приведено распределение вероятности обратного течения у в отрывной области за обратным уступом при формировании в донной области уступа высокоскоростной (рис. 3,я) и низкоскоростной (рис. 3,6) пристенных струй. Под вероятностью обратного течения у понимается время, в течение которого направление пристенного течения противоположно направлению невозмущенного потока, отнесенное ко всему времени наблюдений. Положение точки присоединения потока ХК при обтекании препятствий обычно определяется как точка, в которой осредненное значение продольной компоненты вектора поверхностного тре-
8 10 х/к 0
8 10 х/к
Рис. 3. Изменение вероятности обратного течения при сосредоточенном (а) и распределенном (б) вдувах ] донную область уступа: 1 - к^к = 0; 2 - 0,066; 3 - 0,132
0 4 8 12 х/к
Рис. 4. Изменение вероятности обратного течения при организации пристенной струи за выступом: 1 - кщ/к = 0; 2 - 0,2; 3 - 0,4
ния обращается в нуль. В исследуемых течениях в этой точке вероятность обратного течения у равна 0,5.
Как видно из рис. 3, продольный размер рециркуляционной области под влиянием сосредоточенного вдува уменьшается (средняя точка присоединения потока приближается к уступу), распределенного - возрастает (точка присоединения потока удаляется от уступа). Аналогичный характер воздействия сос
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.