Введение к работе
Актуальность проблемы. На современном этапе развития общества чрезвычайно актуальными становятся вопросы энерго- и ресурсосбережения. Внедрение в промышленность энергосберегающих технологий требует создания более эффективного и менее металлоемкого энергетического оборудования. В этих условиях совершенствованию процессов передачи теплоты уделяется особое внимание. Одним из путей создания экономичных теплообменных аппаратов и систем охлаждения является использование пристенной интенсификации теплообмена. Известно, что применение интенсификаторов наиболее эффективно при низких числах Рейнольдса, соответствующих ламинарному и переходному режимам течения теплоносителя (А.И.Леонтьев, Г.А.Дрейцер, Э.К.Калинин, В.И.Терехов, В.В.Олимпиев, Ю.Ф.Гортышов, Ю.Г.Назмеев и др.). На этих режимах наибольшее увеличение коэффициента теплоотдачи при меньшем приросте гидравлического сопротивления канала (затрат на прокачку теплоносителя) позволяют обеспечить элементы дискретной шероховатости в форме поперечных выступов (А.И.Леонтьев, Ю.Г.Назмеев, Ю.Ф.Гортышов, В.В.Олимпиев, И.А.Попов и др.).
Имеющиеся данные о структуре потока за поперечными выступами в каналах на ламинарном и переходном режимах течения являются неполными и не носят систематического характера. Практически отсутствуют сведения о влиянии формы выступа на границы ламинарно-турбулентного перехода и характеристики потока в канале на переходных режимах. Нет информации о динамике вихревой структуры течения на этапах ламинарно-турбулентного перехода при отрыве потока за выступами различной формы, не выявлены основные закономерности распределения статистических характеристик гидродинамических параметров течения в отрывной области. Достоверные данные о структуре потока при обтекании поперечных выступов различной формы в каналах позволят выявить особенности механизмов интенсификации теплообмена в рассматриваемых условиях, осознанно подходить к выбору геометрических параметров элементов дискретной шероховатости и режимов работы теплообменного оборудования и, тем самым, обеспечить наибольшую его теплогидравлическую эффективность.
Таким образом, экспериментальное исследование пространственно-временной и вихревой структуры отрывного течения за элементами дискретной шероховатости в форме поперечных выступов в каналах на различных этапах ламинарно-турбулентного перехода является на сегодняшний день актуальной задачей.
Цель работы: получение и обобщение экспериментальной информации о пространственно-временной и вихревой структуре течения за поперечными выступами различной формы в канале при низких числах Рейнольдса.
Задачи исследования:
– провести комплексные экспериментальные исследования пространственно-временной и вихревой структуры течения в канале
с единичным тонким поперечным выступом (ребром) и полуцилиндрическим поперечным выступом в области низких чисел Рейнольдса, выполнить совместный анализ информации о динамике кинематической структуры потока и его статистических характеристиках;
– определить влияние формы выступа на значение критического числа Рейнольдса, соответствующее началу ламинарно-турбулентного перехода в канале, вызванного отрывом потока при обтекании выступа;
– выявить особенности динамики формирования крупномасштабных вихревых структур на ранних этапах потери устойчивости слоя смешения за выступами исследуемых форм и сценарии эволюции этих структур в области присоединения потока;
– установить основные закономерности изменения статистических характеристик потока в канале за единичным тонким и полуцилиндрическим поперечными выступами на различных этапах ламинарно-турбулентного перехода.
Научная новизна:
1. На основе сопоставления результатов экспериментальных исследований динамики кинематической структуры потока и его статистических характеристик выявлены особенности пространственно-временной и вихревой структуры потока за единичным тонким и полуцилиндрическим выступом в канале на различных этапах ламинарно-турбулентного перехода.
2. Установлены основные закономерности формирования и эволюции крупномасштабных вихревых структур в сдвиговом слое за выступами исследуемых форм.
3. Определено влияние формы выступа на значение критического числа Рейнольдса, соответствующее началу ламинарно-турбулентного перехода в канале, вызванного отрывом потока при обтекании выступов.
4. Выявлены основные закономерности распределения статистических характеристик течения на различных этапах ламинарно-турбулентного перехода.
Практическая значимость. Результаты исследований позволяют проводить выбор геометрических параметров элементов дискретной шероховатости и режимов работы теплообменного оборудования для обеспечения высокой эффективности его работы. Получена новая фундаментальная информация о процессах ламинарно-турбулентного перехода при отрыве потока за элементами дискретной шероховатости во внутренних течениях.
Результаты работы использованы в отчетах по гранту Президента РФ (НШ-4334.2008.8), грантам РФФИ (07-08-00330, 09-08-00597), контракту в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг.
Рекомендации по использованию результатов. Результаты экспериментального исследования и обобщения опытных данных, а также информация о взаимосвязи режимных характеристик потока
с геометрическими параметрами выступов могут быть использованы при расчете и проектировании теплообменных аппаратов. Полученные результаты дополняют базу данных для верификации теоретических моделей и методов расчета отрывных течений в дискретно шероховатых каналах.
Автор защищает:
1. Результаты комплексных экспериментальных исследований течения в канале с единичным тонким и полуцилиндрическим поперечными выступами при низких числах Рейнольдса, включающих визуализацию течения, термоанемометрические измерения скорости потока и PIV-измерения мгновенных векторных полей скорости.
2. Закономерности формирования крупномасштабных вихревых структур на ранних этапах потери устойчивости слоя смешения за выступами исследуемых форм и эволюции этих структур в области присоединения потока.
3. Данные о влиянии формы выступа на значение критического числа Рейнольдса, соответствующее началу ламинарно-турбулентного перехода в канале, вызванного отрывом потока при обтекании выступов.
4. Обобщенные закономерности изменения статистических характеристик потока в канале за единичным тонким и полуцилиндрическим поперечными выступами на различных этапах ламинарно-турбулентного перехода.
Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечивается использованием апробированных методик и аттестованных средств измерения физических параметров, соответствием экспериментальных результатов, полученных с помощью различных методов исследования, а также удовлетворительным согласием полученных данных с известными результатами других авторов.
Личный вклад автора. Основные результаты диссертации получены лично соискателем. Соискатель самостоятельно выполнил эксперименты, обра-ботку, анализ и обобщение полученных данных. К анализу мгновенных вектор-ных полей скорости и завихренности потока за тонким поперечным выступом привлечены данные, полученные совместно с А.А.Паерелием. Статистическая обработка этих данных, их анализ и обобщение выполнены соискателем.
Апробация работы. Основные материалы и результаты исследований докладывались и обсуждались на XXI Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», 12-14 мая 2009 г., г.Казань, Россия, XVII Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И.Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в аэрокосмических технологиях» 25-29 мая 2009 г., г.Жуковский, Россия, IX и X Международной Школе-семинаре «Модели и методы аэромеханики», 2009 и 2010 гг., г.Евпатория, Украина, VII Школе-семинаре молодых ученых и специалистов акад. В.Е.Алемасова «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении», Казань, 15-17 сентября 2010 г., итоговых научных конференциях Казанского
научного центра РАН (за 2008, 2009 гг.), на аспирантских семинарах Исследовательского центра проблем энергетики КазНЦ РАН в 2008-2010 гг.
Публикации. Соискатель имеет 24 печатных работы, из них 5 – в рекомендованных ВАК РФ журналах. Основные результаты диссертации опубликованы в 11 печатных работах, в том числе 2 статьи – в журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных результатов диссертаций.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованных источников, включающего 138 наименований. Объем диссертации насчитывает 166 страниц машинописного текста, включая 106 рисунков и 3 таблицы.
