Письменный Е.Н. Теплообмен и аэродинамика пакетов поперечно-оребренных труб

Подождите немного. Документ загружается.

ГЛАВА 1

1. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ

ОТЕЧЕСТВЕННЫХ И

ЗАРУБЕЖНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

ТЕПЛООБМЕНА

И ТЕЧЕНИЯ В ПАКЕТАХ

ПОПЕРЕЧНО-ОРЕБРЕННЫХ

ТРУБ

1.1. Исследования физического механизма

процессов течения и конвективного теплообмена

в поперечно-оребренных поверхностях

Исследования физического механизма процессов течения и те-

плообмена в поперечно-оребренных поверхностях связаны со значи-

тельными трудностями, обусловленными многофакторностью таких

систем (рис. 1.1) и сложным отрывным, трехмерным характером их

омывания.

1.1.1. Локальный теплообмен

Наибольшее число попыток изучения физического механизма

процессов переноса в пакетах поперечно-оребренных труб посвяще-

но исследованию закономерностей их локальной теплоотдачи. Эти

работы характеризуются относительно широким спектром методов

измерения a-полей и условий проведения экспериментов. Так, в ра-

боте ИФТПЭ АН Литвы [1] использовался метод местного обогрева

модели, для чего на ребро накладывался ленточный нагревательный

элемент, к которому приваривались термопары. Ориентация нагре-

вательного элемента с термопарами относительно направления набе-

гающего потока изменялась за счет поворота ребристой трубы во-

круг ее продольной оси. Как показал последующий анализ [2, 3],

условия, создаваемые на модели в этом случае не соответствуют ре-

альной картине, когда поверхность ребра обогревается полностью, а

динамический и тепловой пограничные слои развиваются одновре-

менно. В более поздних исследованиях, выполненных в ИФТПЭ АН

Литвы [3, 4], использовался более совершенный метод, когда ребри-

стая труба обогревалась полностью, а распределения коэффициентов

теплоотдачи по высоте и окружности ребра измерялись вставным

элементом с термопарами, который обогревался отдельно и был теп-

лоизолирован от корпуса трубы-калориметра. Близкий по принципу

и возможностям метод использовался в работах [5-7], однако, в этом

случае обогрев трубы-калориметра и измерительного элемента осу-

ществлялся горячей водой.

Выводы 1.3

Рис.1.1. Геометрические характеристики пакетов оребренных труб:

а – шахматная компоновка; б – коридорная компоновка

Наибольшей разрешающей способностью характеризуется ме-

тод [8], основанный на аналогии между процессами тепло- и массо-

обмена. Коэффициенты массопереноса определялись фотометриче-

ским способом, для чего поверхность ребра покрывалась

специальной хроматографической бумагой, предварительно пропи-

танной раствором соответствующего реактива. Исследуемый обра-

зец помещался в канал аэродинамического стенда, где обдувался по-

током воздуха с добавкой небольшого количества аммиака,

реагирующего с чувствительным слоем хроматографической бумаги.

Происходивший при этом химический процесс соответствовал

обычному процессу фотографического проявления. В результате по-

лучались картины, на которых интенсивность окраски различных

участков ребра пропорциональна количеству прореагировавшего в

данном месте аммиака. Ввиду сложности идентификации экспери-

ментальных данных, а также трудностей при реализации фотометри-

ческого метода в целом, последний дальнейшего распространения не

получил.

Более доступными и в то же время в достаточной мере отве-

чающими специфике исследований локальной теплоотдачи ребри-

стых труб являются методики, основанные на использовании датчи-

ков-тепломеров [9-11]. С помощью таких методик были выполнены

исследования [12-15], в которых измерения a-полей выполнялись на

полностью обогреваемых моделях ребристых труб. Датчики тепло-

вого потока устанавливались на ребре и на поверхности несущего

ГЛАВА 1

цилиндра. Их количество определялось необходимой разрешающей

способностью системы, а положение относительно направления на-

бегающего потока варьировалось поворотом ребристой трубы вокруг

ее продольной оси.

Исследования локальной теплоотдачи проводились на одиноч-

ных трубах [1, 8, 13-15] и в пакетах труб с шахматной компоновкой

[1, 4, 7, 12, 15]. Экспериментами охвачен широкий диапазон чисел

Рейнольдса Re = 6,5×10

…7,6×10

. Однако практически во всех рас-

смотренных случаях в пределах одного исследования геометричес-

кие характеристики ребристых труб и параметры их размещения в

пакетах не варьировались. Исключение составляют работа [1], в ко-

торой изучалась зависимость a-полей от шага ребер и работа [12],

где распределения a по поверхности ребра получены для трех ва-

риантов компоновок шахматных пакетов.

Отмеченное разнообразие подходов со свойственными каждо-

му из них методическими погрешностями обусловило наблюдаю-

щиеся в ряде случаев различия в полученных результатах. Эти раз-

личия связаны как с количественными характеристиками процесса,

так и с характером распределения интенсивности теплоотдачи по

поверхности ребра. Так, анализируя свои экспериментальные дан-

ные, авторы получившей известность работы [1], отмечают, что теп-

лоотдача по поверхности ребристой трубы существенно неравно-

мерна, причем у вершины ребра ее уровень значительно выше, чем у

основания (рис.1.2). Последнее обстоятельство связано, по их мне-

нию, с наличием у основания ребра более толстого пограничного

слоя. Отмечается также, что характер распределения a по высоте

ребра практически не зависит от шага ребер, а максимальные значе-

ния a по окружности имеют место при значениях угловой координа-

ты w, отсчитываемой от лобовой точки трубы, равных w = 70°...90°.

Близкие по характеру распределения интенсивности теплоотдачи по

высоте ребра были получены в работе [4].

Рис. 1.2. Распределение α/α

по высоте ребра одиночной трубы при Re = 16·10

по

данным работы [1]: 1 – ω = 0º; 2 – ω = 45º; 3 – ω = 90º; 4 – ω = 135º

Выводы 1.3

Рис. 1.3. Распределение α по высоте ребра одиночной трубы по данным работы [14]:

1 – Re = 1,0·10

; 2 – Re = 2,7·10

; 3 – Re = 4,0·10

; 4 – Re = 6,8·10

; 5 – Re = 8,5·10

С другой стороны в исследованиях [12-15], выполненных при

соответствующих режимных условиях с помощью датчиков-

тепломеров, обнаружены локальные максимумы интенсивности теп-

лоотдачи у основания ребра (рис.1.3). Авторы же работы [8], в кото-

рой коэффициенты теплоотдачи определялись фотометрическим ме-

тодом примерно при тех же условиях, отмечают наличие

абсолютного максимума a в прикорневой области передней полуок-

ружности ребра (рис.1.4). Выявленные особенности a-

распределений не получили достаточного объяснения в рассматри-

ваемых работах: в публикации [12] повышенные значения a у осно-

вания ребра связываются с увеличением турбулентности потока при

его ударе о трубу, несущую оребрение, а в публикациях [13, 14] - с

поджатием и ускорением потока по мере его приближения к миделе-

вому сечению трубы. В работе [8] максимальные значения a в при-

корневой части ребра объясняются существованием в этом месте ин-

тенсивного подковообразного вихря. В исследовании [15] авторы

ограничиваются констатацией относительно высоких значений ко-

эффициента теплоотдачи у основания ребра. Кроме того, анализ рас-

пределений интенсивности теплоотдачи по окружности ребра, вы-

полненный в работах [13-15], показал, что в области значений

угловой координаты w » 100°…130° наблюдаются вплески интен-

сивности теплоотдачи, связанные по мнению авторов, с отрывом по-

граничного слоя от поверхности несущего цилиндра.

ГЛАВА 1

Рис.1.4. Распределение α по высоте ребра одиночной трубы по данным работы [8]:

1 – Re = 6,5·10

; 2 – Re = 3,3·10

Эксперименты, выполненные в работах [3, 5-7], ограничивались

определением круговых эпюр осредненных по высоте ребра коэффици-

ентов теплоотдачи в различных поперечных рядах тесных шахматных

и коридорных пакетов при слабом варьировании их шаговых характе-

ристик. Полученные эпюры (рис.1.5) в большей мере соответствуют

сложившимся представлениям о распределении интенсивности тепло-

отдачи по окружности гладких цилиндров, собранных в шахматные и

коридорные пакеты [16, 17]. Заслуживает внимания обнаруженный в

исследовании [3] подъем интенсивности теплоотдачи в кормовой об-

ласти труб (w = 135°…180°), расположенных в первом ряду пакета, до

значений, соответствующих абсолютному максимуму, который наблю-

дался в рассматриваемом случае в окрестности миделевого сечения

(w = 90°). Это явление, по мнению авторов, обусловлено воздействием

на область, примыкающую к задней критической точке ребристой тру-

бы, сильной возвратной струи, формирующейся в следе. В то же время

основные выводы, сделанные в работах [5-7], сводятся к тому, что кор-

мовая часть оребрения вследствие низкой интенсивности теплоотдачи в

области следа является "балластной" и что до 25 % площади оребрения

по этой причине может быть удалено без уменьшения суммарного теп-

лосъема.

Выводы 1.3

Рис. 1.5. Распределение по окружности трубы, расположенной в первом ряду

шахматного пакета, по данным работы [3]: 1,3 – Re = 1·10

; Pr = 220;

2,4 – Re = 4·10

; Pr = 84

1.1.2. Характеристики течения

Отмеченная противоречивость выводов ряда работ во многом

обусловлена и тем, что далеко не во всех случаях исследования ло-

кальной теплоотдачи сопровождались достаточно глубоким изуче-

нием закономерностей омывания ребристых труб - гидродинамиче-

ская трактовка результатов теплообменных экспериментов часто

носит чисто умозрительный характер. Это относится как к объясне-

нию причин интенсификации теплоотдачи у основания ребра, при-

веденных в публикациях [I2-I4], так и к трактовке противоположных

по характеру результатов с минимумом a в прикорневых областях

[1, 4], основанной на аналогии с процессами в полуоткрытых пло-

ских каналах, когда полученное снижение интенсивности теплоотда-

чи в направлении к основанию межреберной полости связывается с

ростом толщины пограничного слоя.

Следует отметить, что формированию получивших довольно

широкое распространение взглядов, основанных на указанной выше

аналогии, в наибольшей мере способствовали работы [18, 19], в ко-

торых наряду с традиционными исследованиями среднеповерхност-

ного теплообмена и аэродинамического сопротивления трубных па-

кетов значительное внимание было уделено особенностям их

омывания. Автор указанных работ в своих рассуждениях опирался

на результаты визуализации течения около одиночного гладкого ци-

линдра в коридорном пакете гладких труб, а также в межреберных

полостях расположенных друг за другом по потоку оребренных ци-

линдров. Однако использовавшийся в экспериментах дымовой метод

и техника исследований не позволили выявить наиболее существен-

ные особенности омывания поперечно-оребренных труб. Выводы

работы, в основном, сводятся к тому, что вихревые образования, ха-

рактерные для течения в гладкотрубных пакетах, гасятся в межре-

берных полостях труб с относительно высокими ребрами, вследст-

вие чего течение в ребристом пакете можно сравнивать с течением в

ГЛАВА 1

плоских каналах. Предложенная схема течения в межреберной по-

лости предполагает снижение интенсивности омывания прикорневых

частей ребер и стенки несущего цилиндра по мере увеличения ее от-

носительной глубины h/(t - d) за счет образования в этих областях

утолщенного пограничного слоя (рис.1.6) и, как следствие, уменьше-

ние интенсивности теплообмена. Эти, кажущиеся на первый взгляд

очевидными, положения, как будет показано ниже (глава 2), не соот-

ветствуют истинной картине процесса. Тем не менее, такого рода

представления о характере течения в межреберных зазорах, как уже

отмечалось, получили значительное распространение и использова-

лись в целом ряде работ для обоснования полученных результатов. В

частности, в публикациях [20-23] снижение интенсивности среднепо-

верхностного теплообмена при увеличении степени оребрения труб

объясняется образованием застойных зон у корня ребер и выключени-

ем вследствие этого части поверхности из активного теплообмена.

Рис. 1.6. Схема течения в межреберных полостях при различных значениях их

относительных глубин в соответствии с моделью [18, 19]

Наиболее обширные исследования характеристик течения в па-

кетах оребренных труб, наряду с исследованиями локального тепло-

обмена, были выполнены в работе [12]. Особенности омывания реб-

ристых труб в пакетах изучались визуально с помощью шелковых

нитей, а также дымовым методом. Авторы наблюдали существенные

различия в обтекании первых и глубинных рядов труб, связанные с

повышением степени турбулентности потока по мере его продвиже-

ния вглубь пакета. Отрыв потока от поверхности несущего цилиндра

в первых рядах происходил в окрестности его миделевого сечения и

смещался вниз по течению при обтекании глубинных рядов пакетов.

В кормовой части ребристой трубы прослеживалась клиновидная

вихревая область с довольно интенсивной возвратной струей, ориен-

тированной вдоль ее оси и взаимодействующей с тыльной поверхно-

стью несущего цилиндра. Отмечается наличие участков возвратного

течения и в лобовой прикорневой области ребра, однако, авторы ог-

раничиваются лишь констатацией этого явления, не раскрывая его

физического механизма. Чередование областей с пониженной и

Выводы 1.3

повышенной теплоотдачей в передней части ребра у его вершины (в

пределах первой из них также было замечено встречное по отноше-

нию к набегающему на трубу потоку течение) связывается авторами

с влиянием острой входной кромки, что, на наш взгляд, при рассмат-

риваемой геометрии ребристой трубы (h/d = 0,263) не соответствует

истинной картине процесса. Благодаря достаточно большому мас-

штабу модели, в работе [12] были выполнены измерения локальных

скоростей и характеристик турбулентности в межреберном про-

странстве. При этом использовался термоанемометр постоянной

температуры и пневмометрическая трубка. Результаты измерений

представлены в виде значений скорости и степени турбулентности

на продольной оси межреберного зазора в зависимости от угловой

координаты w и расстояния от основания ребра, а также в виде рас-

пределений указанных характеристик по сечению межреберного за-

зора, соответствующему угловой координате w = 90°, для труб, рас-

положенных во втором и шестом рядах шахматного пакета с

= 1,74, s

= 0,893. Из этих данных наибольший интерес, по наше-

му мнению, представляют распределения степени турбулентности

(рис.1.7), так как удовлетворительные по точности измерения ло-

кальных скоростей потока однониточным зондом и трубками Пито

при той трехмерности течения, которая имеет место в межреберной

полости, практически не возможны. Характерно, что подъем степени

турбулентности по мере приближения к поверхности несущего ци-

линдра наблюдается как с лобовой, так и с тыльной стороны. Это

свидетельствует о схожести процессов в лобовой и кормовой при-

корневых областях ребра.

Рис. 1.7. Распределение степени турбулентности

по глубине межреберной

полости по данным работы [12]: 1 – 2-й ряд пакета; 2 – 6-й ряд пакета

ГЛАВА 1

Похожие по тенденции изменения

результаты были получе-

ны в исследовании [4], где термоанемометрирование также осущест-

влялось на модели ребристой трубы увеличенного масштаба.

С измерениями турбулентности связаны попытки углубления

физических представлений о процессах, имеющих место при попе-

речном омывании пакетов оребренных труб, и в работе [24]. Здесь

исследовалось влияние степени турбулентности набегающего на па-

кет потока на интенсивность теплообмена в различных его попереч-

ных рядах. Эксперименты показали, что изменение начальной степе-

ни турбулентности сказывается на теплообмене только первых трех

рядов труб и практически не влияет на интенсивность теплообмена

глубинных рядов пакета.

В ряде исследований [7, 25, 26] особенности гидродинамики

пакетов оребренных труб изучались путем измерения полей статиче-

ских давлений. Отборы давлений осуществлялись при этом на вер-

шине и у основания ребра. Круговые распределения давлений (или

коэффициентов давления), полученные для труб, расположенных в

первом и глубинном рядах пакетов с различной компоновкой, отра-

жают традиционные представления о характере обтекания труб в па-

кетах и коррелируют с соответствующими данными по локальной

теплоотдаче [3, 5-7]. Заслуживает внимания вывод, касающийся ста-

билизации значений коэффициентов давления в кормовой части труб

(w >120°). По мнению авторов [26] практически постоянные значе-

ния этой величины свидетельствуют о том, что скорость потока вне

пограничного слоя в области ближнего следа почти постоянна и,

следовательно, вихревая зона и кормовая часть ребристой трубы об-

текаются как единое целое.

В работе [15], в отличие от рассмотренных выше иследований,

распределение статических давлений определялось по всей поверхно-

сти ребра и стенки несущей трубы, однако, результаты этих экспери-

ментов не приводятся. Авторы ограничиваются небольшим коммен-

тарием, отражающим падение, а затем стабилизацию давления по

окружности ребристой трубы по мере роста угловой координаты w.

Больше внимания в этой публикации уделено результатам измерений

полей скорости в межреберном пространстве, которые осуществля-

лись с помощью трехканальной пневмометрической трубки, закреп-

ленной на координатнике. Экспериментальные данные представлены

в виде профилей безразмерной скорости у поверхности ребра в вось-

ми ее точках. Полученные профили и их анализ, на наш взгляд, не

отражают особенностей процессов у поверхности ребра и не

объясняют результатов исследований локальной теплоотдачи,

выполненных в рассматриваемой работе. Это связано с тем, что

течение в межреберном пространстве имеет очень сложный,

отрывной, трехмерный характер, т.е. отличается условиями, в

которых использование принятого метода измерения полей скорости

не является корректным и не может дать адекватных результатов.

Выводы 1.3

О значительной трехмерности течения при обтекании попе-

речно-оребренных цилиндров свидетельствуют работы [27, 28]. В

первой из них с помощью шелковых нитей выполнялись визуаль-

ные исследования течения в следе за одиночным оребренным и

гладким цилиндрами. Эксперименты показали наличие сложных

трехмерных ячейковых структур в потоке за ребристым цилиндром

при Re < 2×10

, что при аналогичных условиях за гладким цилин-

дром не наблюдалось. В работе [28], посвященной исследованию

влияния угла атаки относительно высокого (h/d = I,0) круглого реб-

ра на характер течения и локального теплообмена в его пределах,

визуализация осуществлялась методом поверхностной индикации

потока с помощью сажемасляной взвеси. Результаты визуализации,

в целом повторившие данные, опубликованные нами двумя годами

ранее [29], свидетельствуют о наличии интенсивных трехмерных

циркуляционных течений в прикорневой области ребра. Важно

также то, что небольшое изменение ориентации ребра по отноше-

нию к направлению набегающего потока (в пределах 0,5°... 0,1°)

приводит к существенной трансформации картины течения у его

поверхности: область отрыва и присоединения потока за острой

входной кромкой, наблюдающаяся при положительных углах ата-

ки, полностью исчезает при переходе даже к небольшим отрица-

тельным их значениям (- 1°... - 2°).

Подводя итоги, следует отметить, что результаты относительно

немногочисленных и в ряде случаев не согласующихся друг с дру-

гом экспериментальных работ не позволяют сформировать единую

адекватную картину течения и теплообмена в поперечно-оребренных

поверхностях.

Если коснуться численных исследований процессов в пакетах

поперечно-оребренных цилиндров, то необходимо констатировать

отсутствие серьезного продвижения в этой области. Такого рода ис-

следования, например работа [30], относятся к более простому по

характеру течения типу теплообменных поверхностей – пластинча-

то-ребристым поверхностям и ограничены, как и большинство чис-

ленных исследований процессов в пакетах цилиндров [31-33], мало

актуальной областью низких чисел Рейнольдса (Re<1000), хотя, судя

по данным [34], возможны надежные результаты и в области сме-

шанного обтекания (Re < 10

1.1.3. Полуэмпирические модели

В определенной степени отражением состояния исследований

физического механизма процессов в поперечно-оребренных поверх-

ностях и соответствующих представлений, сложившихся к началу

80-х годов прошлого века, явились публикации [35-37], посвящен-

ные разработке так называемых полуэмпирических моделей конвек-

тивного теплообмена ребристых труб.