М ЕХАНИКА ЖИДКОСТИ И ГАЗА № 5 • 2015
УДК 532.525.6
ОСОБЕННОСТИ ТЕЧЕНИЯ КОЛЬЦЕВОЙ ИМПАКТНОЙ СТРУИ ВБЛИЗИ ПРЕГРАДЫ
© 2015 г. С. В. КАЛИНИНА, В. И. ТЕРЕХОВ, К. А. ШАРОВ
Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, Новосибирск e-mail: kalinina@itp.nsc.ru; terekhov@itp.nsc.ru; sharov@itp.nsc.ru
Поступила в редакцию 29.01.2015 г.
Представлены результаты экспериментального исследования поля течения между соплом и плоской стенкой, обтекаемой по нормали кольцевой струей. Основное внимание направлено на изучение области торможения потока вблизи преграды. С помощью PIV-системы измерены распределения средних и пульсационных характеристик потока. Показано, что, по сравнению с круглой струей, интенсивность пульсаций в кольцевой струе увеличивается, что может служить одной из причин интенсификации теплоотдачи в лобовой точке.
Ключевые слова: импактные струи, кольцевые струи, турбулентность, поле течения.
Импактные струи широко используются в современных системах охлаждения, что определяет актуальность исследований по повышению их эффективности.
Один из известных способов увеличения интенсивности теплоотвода импактными струями состоит в изменении геометрии сопла, через которое подается охлаждающая среда. Как показали эксперименты [1], при одинаковом расходе охладителя кольцевые импактные струи могут быть более эффективными по сравнению со струями круглыми. Однако они к настоящему времени мало изучены, и причины интенсификации теплообмена не получили объяснения.
Для исследования поля скорости кольцевой свободной струи в [2] использован метод ортогональной декомпозиции PIV. Отмечена сложность структуры кольцевых струй: наличие зоны рециркуляции за выходом из сопла; образование двух осесиммет-ричных сдвиговых слоев, один из которых возникает на внешней границе кольцевого потока, другой — на внутренней; взаимодействие различных областей течения; турбулентные крупномасштабные пульсации и др.
Некоторые особенности формирования кольцевой струи показаны на фиг. 1, а. Согласно [2], в центральной области кольцевой струи возникают колебания из-за нестационарности и неустойчивости границы вихря (координата 2 на фиг. 1, а).
В [3] представлены результаты комплексного экспериментального и численного исследования свободной кольцевой струи с высоким коэффициентом перекрытия d2/d0 = 0.85 (отношение внутреннего диаметра сопла к наружному) — при умеренном значении числа Рейнольдса Re = U0(d0 — d2)/v = 4.4 ■ 103 (U0 — средняя скорость потока в кольцевом зазоре). Измерения полей скорости проведены с использованием трехмерной методики ЛДА. При численном исследовании использованы различные модели для напряжений Рейнольдса. Эксперименты показали существенную нестационарность поля течения кольцевой струи, его высокую чувствительность к условиям в выходном сечении сопла, часто приводящую к несимметричным полям течения.
Фиг. 1. Схема течения кольцевой струи (а) и опытная установка (б) для исследования импактной кольцевой струи: 1 — сопло; 2 — граница торообразного вихря; 3, 4 — границы начального и переходного течения; 5 — магистраль высокого давления; преграда; 6 — расходомерная шайба; 7 — преграда; 8 — лазер; 9 — CCD-камера; 10 — компьютер
Численные результаты, полученные с учетом выводов экспериментов, показали хорошее согласие с данными измерений.
По сравнению со свободными струями импактные струи являются более сложными из-за взаимодействия с обтекаемой преградой. В [4] проведено численное моделирование течения и теплообмена ламинарной импактной кольцевой струи. Расчеты показали, что, по сравнению с круглой импактной струей, интенсивность теплоотдачи кольцевой импактной струи меньше, причем особенно сильно теплоотдача снижается в области, прилежащей к лобовой точке струи. Сопоставление результатов [1] и [4] позволяет предположить, что эффективность использования кольцевых струй для отвода тепла существенно зависит от развивающихся в них пульсаций, от ламинарного или турбулентного режимов течения в струе.
Работы [5, 6] посвящены экспериментальному исследованию поля течения и теплообмена импактных кольцевых струй при близком расположении сопла и преграды (S/d0 < 2), когда формирующиеся за соплом вихревые структуры взаимодействуют непосредственно с обтекаемой стенкой.
Условия экспериментов [5] следующие: узкая кольцевая щель (отношение внутреннего диаметра кольца к наружному — 0.77 и 0.95), расстояние от сопла до преграды S/d0 < 2, значения числа Рейнольдса, рассчитанного по параметрам на выходе из сопла, составляли Яе = Ц^/у = 5 • 103—104. Показано, что при определенных граничных условиях для кольцевых импактных струй возможно существование двух альтернатив-
ных картин течения — бистабильность. В одном случае формируется довольно небольшая область рециркуляции за центральной вставкой сопла, а распределение теплоотдачи на преграде имеет максимум в лобовой точке. В другом область рециркуляции за соплом становится существенно больше и простирается вплоть до обтекаемой стенки, формируя на ней кольцевую линию торможения. Все приосевое пространство между соплом и преградой в этом случае заполнено циркулирующей жидкостью. Соответственно этому распределение теплоотдачи на преграде имеет максимум на кольцевой линии торможения. Согласно результатам [5], бистабильность имела место только для узкого кольцевого сопла при = 0.95), низких значениях числа Рейнольдса
(Яе < 5 • 103) и небольших расстояниях между соплом и стенкой (S/d0« 1). При увеличении и последующем уменьшении расстояния S/d0, при переходе через его критическое значение наблюдали гистерезис в смене картин течения и расслоение величины давления в лобовой точке преграды.
Сходные экспериментальные исследования проведены авторами [6] в следующих условиях: d2/d0 = 0.8^0.98, S/d0 < 2, Яе = - d2)U0/2v = 1.2 • 10^3.6 • 104 (^ - средняя скорость потока в выходном сечении сопла). Отмечено возникновение реверсивного (против направления падающей струи) течения в лобовой точке; эта особенность кольцевых импактных струй позволяет использовать их в электронных системах. Согласно выводам [6], в зависимости от расстояния формируются три разных варианта обтекания преграды. Они различаются радиальным положением точки торможения на преграде и интенсивностью теплоотдачи. Отмечена также малоизученность течения и теплообмена кольцевых импактных струй.
В данной работе представлены результаты экспериментальных исследований характеристик течения импактной кольцевой струи при расстояниях между соплом и преградой S/d0 = 2-6. Подобные режимы практически не исследованы вследствие сложной структуры поля течения. Основное внимание уделено области торможения потока вблизи преграды, где происходит разворот течения, а теплоотдача максимальная. Эта область к настоящему времени наименее изучена, и течение в ней во многом определяет характеристики пристенного тепломассопереноса.
1. Описание установки и метода измерений. Эксперименты проведены на установке, схема которой представлена на фиг. 1, б.
Для формирования струй использованы сопла круглого и кольцевого сечений, причем данные по круглому соплу рассматривались как базовые. Сопоставление проводилось с результатами для кольцевой импактной струи при одинаковых расходах рабочей среды, что позволило оценить влияние геометрии сопла.
Диаметр круглого сопла составлял d0 = 17.8 мм. Распределение скорости на выходе из круглого сопла практически равномерное, интенсивность турбулентности 3.5-4%. Для формирования кольцевого сечения внутрь этого сопла вставляли цилиндрический стержень диаметром d2 = 12.7 мм. Отношение внутреннего и наружного диаметров кольцевого сопла составляло d2/d0 = 0.71. Рабочей средой служил воздух комнатной температуры (16-21°С), подаваемый из воздушной сети высокого давления. Расход потока измеряли с помощью расходомерной шайбы. В опытах варьировались расстояние между соплом и преградой = 2, 4 и 6) и расход воздуха. Для заданного режима расхода рассчитывали характеристическое число Рейнольдса (Яе = U0d0/v), где ^ - средняя скорость потока при продуве воздуха через сопло круглой формы диаметром d0. Диапазон изменений числа Рейнольдса в экспериментах составил Яе= 1.2 • 104-3.3 • 104.
Для исследования полей средних и пульсационных скоростей использован измерительный Р1У-комплекс, позволяющий визуализировать поле течения и проводить детальный анализ компонент средних и пульсационных скоростей [7]. Комплекс осна-
Фиг. 2. Мгновенные поля скоростей для круглой (а) и кольцевой (б) струй при S/d0 = 2 и Re = 1.2 • 104. 1 — преграда; 2 — нестационарная кольцевая область торможения
щен двумя импульсными лазерами, синхронизованными с цифровой камерой для измерения двумерного поля скорости. В экспериментах интервал времени между вспышками лазера составлял 20 мкс, а длительность 5 нс. Соответствующий компьютерный код использован для определения как осредненных характеристик течения, так и статистических моментов второго и более высокого порядка. Для задымления воздушного потока использован генератор трассеров с рабочей жидкостью Safex Fog Fluid Standard при среднем диаметре частиц 1.0 мкм.
Измерительная плоскость PIV-стробоскопа размером 36 х 45 мм всегда располагалась у поверхности преграды и охватывала всю область торможения потока. Для каждого режима получено по 4000 парных мгновенных снимков. Расчетное поле снимка 1360 х 1025 пикселей делилось на ячейки размером 64 х 64. Оценки полей скоростей проводились с использованием итеративного кросскорреляционного алгоритма с 50%-ным перекрытием расчетных областей. Затем осуществляли отбор векторов скорости по отношению сигнал/шум и по локальному среднему, основанному на предположении о локальной непрерывности поля скорости. Оценка погрешности измерения скоростей и турбулентных характеристик PIV-системы [8], а также сопоставления с термоанемометрическими данными показали, что по средним значениям скоростей и пульсаций в продольном направлении погрешность составляет 3—5%. В радиальном направлении погрешность несколько выше: 8—10%, что связано с малостью измеряемых величин.
При обработке экспериментальных д
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.