Численное и физическое моделирование аномальной интенсификации отрывного течения и теплообмена в одно-и многорядных наклонных канавках с полусферическими законцовками на стенке узкого канала и на пластине. Новые результаты

Язык труда и переводы:
УДК:
53.043
Дата публикации:
08 января 2022, 00:08
Категория:
Секция 07. Развитие космонавтики и фундаментальные проблемы газодинамики, горения и теплообмена
Авторы
Исаев Сергей Александрович
Санкт-Петербургский государственный университет гражданской авиации
Леонтьев Александр Иванович
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Аннотация:
Осуществляется решение актуальной проблемы создания энергоэффективных структурированных поверхностей. Приведен краткий генезис открытия аномальной интенсификации отрывного течения и теплообмена в наклонных канавках на стенке узкого канала и на пластине, а также ускорения потока в структурированных лунками узких каналах. Представлено экспериментальное обоснование открытия на аэродинамических стендах в Москве и Казани.
Ключевые слова:
вихревая интенсификация, структурированные поверхности, наклонные канавки-лунки, эксперимент
Основной текст труда

Актуальная проблематика — структурированные лунками поверхности. Интенсификация теплообмена является одной из актуальных областей развития современной теплофизики, причем одним из перспективных разделов конструирования энергоэффективных устройств являются технологии облуненных поверхностей. Интерес к рельефам из упорядоченных лунок связан с возможностью обеспечить преобладающий рост теплоотдачи от омываемой стенки по сравнению с ростом гидравлических потерь. Анализ применения луночных технологий показывает, что в большинстве случаев используются рельефы из сферических лунок. Такие лунки довольно давно рассматриваются как поверхностные вихревые генераторы, вносящие определяющий вклад в интенсификацию теплообмена на облуненных стенках. Поиск эффективных вихревых генераторов привел к разработке овальных лунок, наклоненных под углом θ к набегающему потоку [1]. Такие лунки состоят из двух половин сферической лунки диаметра d, разнесенных с помощью цилиндрической вставки длиной L. Угол наклона часто выбирался равным 45° поскольку в глубоких сферических лунках формируется ориентированная под таким углом смерчеобразная вихревая структура.

Интенсификация ламинарного отрывного течения воздуха и теплообмена на стабилизированном участке узкого канала с однорядными наклонными ОТЛ на нагретой стенке рассматривается в [2]. Обнаружено, что для Re = 1000 в периодической секции плоскопараллельного канала с размерами 4×1×6 при расположении на нижней стенке ориентированной под углом 45° к воздушному потоку ОТЛ длиной 4,5 и шириной 1 при изменением глубины лунки в диапазоне 0,25...0,375 максимальная скорость в ядре потока возрастает в полтора раза по сравнению с максимальной скоростью потока в плоскопараллельном гладком канале. Установлено, что причина интенсификации ламинарного отрывного и вторичного течения в наклонной ОТЛ заключается в резком перепаде статического давления (максимум порядка 0,34 и минимум порядка –0,14 при Δ = 0,3125) на исключительно малом расстоянии между центрами зон высокого и низкого давления во входной части лунки.

Краткий генезис открытия. Цикл недавних численных исследований [3, 4] связан с открытием явления аномальной интенсификации отрывного турбулентного течения воздуха и теплообмена при Re = 104 на стабилизированном участке узкого канала высотой 1 с нанесенными на нижнюю нагретую стенку однорядными наклонными ОТЛ шириной 1,05 и длиной 7,05. При ширине канала 7 и шаге между лунками 6, угле наклона 45° и глубине 0,3 лунки в отрывной зоне в срединном сечении наблюдается четырехкратное увеличение абсолютной величины максимального относительного трения и почти пятикратный рост относительной теплоотдачи (по отношению к параметрам в плоскопараллельном канале). Максимальная абсолютная величина скорости вторичного (поперечного) течения оказывается одного порядка величины максимальной скорости потока в плоскопараллельном канале. Аномальная интенсификация отрывного турбулентного течения и теплообмена обуславливается растущим с уплотнением лунок перепадом статического давления между близкими зонами высокого (доходит до величины порядка 0,6) и низкого давления (полученная минимальная величина –0,6), возникающих при торможении входящего в лунку потока на наветренном склоне и в месте зарождения торнадоподобного вихря на входном подветренном сферическом сегменте.

Экспериментальное подтверждение открытия на экспериментальных стендах в Москве и Казани (измерение и расчет перепада давления в одиночной ОТЛ на пластине в турбулентном пограничном слое при варьировании углом наклона θ от 0 до 90°, измерение и расчет поля скорости в узком канале с двухрядными пакетами из 26 наклонных ОТЛ в каждом ряду).

Полученные экспериментальные распределения Ср дают наглядное представление о влиянии угла наклона на структуру внутреннего течения в ОТЛ, в частности, указывают на диапазон 25° < θ < 85°, в котором головное скругление ОТЛ содержит характерную двойную конфигурацию из локализованных зон экстремумов давления противоположного знака (это соответствует режимам «работающей» ОТЛ). Главное достижение экспериментов НИИ механики МГУ — это подтверждение существования больших перепадов статического давления между зонами торможения потока на наветренном склоне наклонной лунки и разрежения на входе в лунку в месте генерации смерчеобразного вихря, распространяющегося вдоль траншеи.

Эксперимент в облуненном канале на установке в КазНЦ РАН был нацелен на подтверждение явления ускорения в ядре потока с заметным превышением максимальной скорости по сравнению с максимумом скорости в плоскопараллельном канале с гладкими стенками. Установлено, что в формирующемся в конце облуненном канале над входом в лунки имеет место выраженная область повышенной скорости на координате y порядка 10...15 % высоты канала. Расчетные профили для ламинарного и турбулентного потоков в канале вполне удовлетворительно согласуются с экспериментальными при рассмотренных углах наклона лунок. На продольной полосе канала над однорядным ансамблем лунок формируется сдвиговое течение с максимумом скорости над входом в лунки. Этот максимум заметно превышает максимум скорости в плоскопараллельном канале и таким образом подтверждает обнаруженное численно явление ускорения потока в облуненном канале.

В КНИТУ-КАИ акцент в экспериментальных исследованиях делался не только на овально-траншейных, но и на овально-дуговых лунках, которые были запатентованы. Прирост теплоотдачи Nu/Nu0 по результатам численного исследования составляет 1,54 раза, а согласно экспериментальным данным — 1,55 раза. Прирост гидравлического сопротивления ξ/ξ0 по результатам численного исследования составляет 1,39 раза, а согласно экспериментальным данным — 1,4 раза.

Грант
Исследование выполнено за счет грантов Российского научного фонда (проект РНФ № 19-19-00259 (численные и физические исследования) и Российского фонда фундаментальных исследований (проект РФФИ № 21-58-52013 (методические расчеты)).
Литература
  1. Isaev S.A., Schelchkov A.V., Leontiev A.I., Gortyshov Yu.F., Baranov P.A., Popov I.A. Tornado-like heat transfer enhancement in the narrow plane-parallel channel with the oval-trench dimple of fixed depth and spot area // Int J Heat and Mass Transfer. 2017. Vol. 109. Pp. 40–62.
  2. Isaev S.A., Leontiev A.I., Milman O.O., Popov I.A., Sudakov A.G. Influence of the depth of single-row oval-trench dimples inclined to laminar air flow on heat transfer enhancement in a narrow micro-channel // Int J Heat and Mass Transfer. 2019. Vol. 134. Pp. 338–358.
  3. Isaev S., Gritckevich М., Leontiev А., Popov I. Abnormal enhancement of sepa-rated turbulent air flow and heat transfer in inclined single-row oval-trench dim-ples at the narrow channel wall // Acta Astronautica. 2019. Vol. 163, part A. Pp. 202–207.
  4. Isaev S.A., Gritckevich M.S., Leontiev A.I., Milman O.O., Nikushchenko D.V. Vortex enhancement of heat transfer and flow in the narrow channel with a dense packing of inclined one-row oval-trench dimples // Int J Heat and Mass Transfer. 2019. Vol. 145 (118737). Pp. 1–13.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.