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

Подождите немного. Документ загружается.

ГЛАВА 2

течения в плоскости XOY критической точкой. В ее окрестности

скорость потока уже недостаточна для перемещения частиц сажи и

она выделяется в виде темного ромбовидного пятна. Оторвавшийся

от ребра поток присоединяется к стенке несущей трубы и частично

вновь направляется к основанию, образуя отрывную циркуляцион-

ную зону, но не замкнутую, а имеющую отток в боковых направле-

ниях. Вторичные течения непрерывно переносят импульс из ядра

межреберного потока в прикорневые зоны и вызывают здесь тем са-

мым, значительное повышение скорости, о чем свидетельствует

светлая окраска большей части зоны А.

Рис. 2.5. Течение на ребре. Труба –

тип 1, h/d = 1,429; 1-й ряд пакета с

= 3,98; s

= 9,48. Re = 5,7·10

Рис. 2.6. След на ребре, противолежа-

щем тому, на которое наносилась саже-

керосиновая взвесь. Труба – тип 1,

h/d = 1,429; 1-й ряд пакета с s

= 3,98;

= 9,48; Re = 5,7·10

Рис. 2.7. След на чистом ребре. Труба –

тип 2, h/d = 0,857; 1-й ряд пакета с

= 3,98; s

= 9,48; Re = 3,9·10

Рис. 2.8. След на чистом ребре. Труба –

тип 2, h/d = 0,857; 1-й ряд пакета с

= 3,98; s

= 9,48; Re = 5,1·10

Раздел 2.3

Информацию, подтверждающую описанные выше особенности

течения в межреберной полости, несет своего рода уникальная фото-

графия, показанная на рис. 2.10. Изображение в данном случае полу-

чено на тонкой пластине, помещенной в плоскости симметрии XOZ

(рис. 2.11) трубы типа 4. На нем, несмотря на возможные искажения

истинной картины течения, связанные с развитием собственного по-

граничного слоя пластинки, отчетливо видна пара крупномасштаб-

ных прикорневых вихрей, образующихся в межреберной полости

после присоединения вторичных течений к поверхности ребер. По-

ложение центров этих вихрей примерно соответствует внешней гра-

нице области присоединения – светлой полосы у основания ребра на

рис. 2.2. В целом рис. 2.10 демонстрирует весьма сложную структу-

ру турбулентности в межреберной полости.

Рис. 2.9. Течение на ребре. Труба – тип 5, h/d = 0,932. 1-й ряд. Re = 5·10

Рис. 2.10. Визуализация течения в межреберной полости. Труба – тип 4

(h/d = 1,905); 1-й ряд;

ГЛАВА 2

Рис. 2.11. Схемы течения перед лобовой частью несущего цилиндра: а – при

больших значениях относительной высоты ребра (h/d > 0,4); б – при малых значе-

ниях h/d (h/d < 0,4); А – зона действия вторичных циркуляционных течений; А

, А

–

участки отрыва течения от поверхности ребра; А

, А

– участки присоединения

Отрывной характер течения на передней полуокружности реб-

ра подтверждается и данными измерений полей статических давле-

ний. Рис. 2.12 показывает наличие в основном потоке, движущемся

от вершины к основанию ребра, в окрестности осевой плоскости

XOZ (w » ± 30°) положительного градиента давления, являющегося,

как известно, необходимым условием отрыва. Минимум С

, наблю-

дающийся при P

» 0,9 и w » ± 40°, обусловлен отрывом потока от

острой входной кромки ребра большой толщины (рис.2.9) с образо-

ванием интенсивного присоединенного вихря, положение дугооб-

разной оси которого соответствует указанным координатам.

С целью уточнения положения границы отрывной циркуляционной зо-

ны А, а также исследования зависимости ее размера x

по оси OX (рис.

2.11, а) от числа Рейнольдса была выполнена серия опытов, в которых

саже-керосиновая взвесь наносилась не на всю поверхность ребра, а

только на узкую полосу вдоль его передней кромки. В итоге,

Раздел 2.3

Рис. 2.12. Распределение коэффициентов статического давления по высоте ребра

трубы типа 5 (h/d = 0,932), расположенной в 1-ом ряду, при Re = 2·10

: 1 – ω = 0º;

2 – ω = 30º; 3 – ω = 60º; 4 – ω = 90º; 5 – ω = 120º; 6 – ω = 150º; 7 – ω = 180º.

Рис. 2.13. Зависимость относительного размера х

/d зоны А от числа Рейнольдса:

1 – труба типа 1 (h/d = 1,43); 2 – труба типа 2 (h/d = 0,86)

ГЛАВА 2

после введения опытной ребристой трубы в воздушный поток участки,

омываемые вторичным течением, оставались неокрашенными, т.к. час-

тицы сажи, увлекаемые основным потоком, не могли пересечь линию

отрыва. На рис. 2.4 показаны результаты такого эксперимента рядом с

изображением, полученным при том же Re после полной окраски ребра

(рис. 2.3). Опытные данные x

/d = f(Re) представлены на рис. 2.13, от-

куда следует, что рост числа Рейнольдса, начиная с Re » 2,3×10

, приво-

дит к уменьшению размеров зоны. Снижение высоты ребра также

приводит к сокращению зоны А, однако при этом доля его поверхно-

сти, занятая зоной возрастает, что видно по изменению отношения

величины x

к высоте ребра h. Так, например, при Re = 2,3×10

отно-

шение x

/h для труб типа 1 составляет ~ 0,3 , а для труб типа 2 – ~ 0,5.

Дальнейшие исследования влияния геометрии ребристых труб на

закономерности течения в передней части ребра выполнялись с труба-

ми типов 6, 11, имеющими малую относительную высоту ребра (h/d =

0,357 и h/d = 0,263 соответственно). Картины течения, полученные при

этом, показаны на рис. 2.14-2.16. Образовавшиеся на покрытой взве-

сью поверхности треки свидетельствуют о существенном изменении

характера течения на всей передней части ребра по сравнению со

случаем относительно высоких значений h/d. За узкой областью

присоединения вторичного течения непосредственно у поверхности

несущего цилиндра следует широкая, в целом темная область, сви-

детельствующая о циркуляционном движении среды. Еще ближе к

передней кромке ребра хорошо видна светлая область, треки в пре-

делах которой указывают на интенсивное движение, встречное по

отношению к набегающему на ребристую трубу потоку. Непосред-

ственно у передней кромки наблюдается темная область, заключен-

ная между расходящимися линиями тока и своими очертаниями, на-

поминающая нижнюю половину темного ромбовидного пятна,

хорошо заметного на рис. 2.2 и образующегося, как отмечалось вы-

ше, при встрече основного и вторичного течений. Для выяснения

особенностей течения у передней кромки ребра, проявившихся рас-

смотренным выше образом, были проведены специальные экспери-

менты, в которых ребристые трубы типов 6 и 11 устанавливались

так, чтобы окрашенная саже-керосиновой взвесью поверхность реб-

ра имела заметный отрицательный угол атаки. Такие условия гаран-

тируют отсутствие отрыва потока от острой входной кромки [28]. В

результате картина течения оставалась неизменной, соответствую-

щей нулевому углу атаки, что позволило исключить версию о нали-

чии отрыва, связанного с набеганием потока на ребро с острыми

кромками, в рассматриваемом случае малых значений h/d .

Анализ результатов визуализации совместно с данными изме-

рений полей статических давлений (рис. 2.17) показал, что в иссле-

дованной области чисел Рейнольдса при переходе к малым относи-

тельным высотам ребер происходит изменение схемы течения на

ребре (рис. 2.11). В этом случае возрастает влияние несущего цилин-

дра как преграды для основного потока на гидродинамическую

Раздел 2.3

Рис. 2.14. Течение на ребре. Труба –

тип 6 (h/d = 0,357); 1-й ряд; Re = 5·10

Рис. 2.15. Течение на ребре. Труба –

тип

11 (h/d = 0,263); 1-й ряд; Re = 7,7·10

Рис. 2.16. Участок ребра перед лобовой частью несущего цилиндра. Труба –

тип 6 (h/d = 0,357); 1-й ряд; Re = 5·10

обстановку в передней части ребра, что выражается в интенсифика-

ции вторичных течений и распространении зоны их действия (зоны

А) до передней кромки ребра. Кроме того, вследствие интенсифика-

ции образованного вторичными течениями прикорневого вихря (рис.

2.10) под его центром на участке А

образуется локальный минимум

давления, что в свою очередь приводит к возникновению в области

возвратных (вторичных) токов положительного градиента давления.

Последний является причиной отрыва вторичного течения от по-

верхности ребра на участке А

и образования, кроме малой угловой

(А

), еще одной циркуляционной зоны, которая на фотографиях (рис.

2.14-2.16) видна как темная широкая полоса в центре передней части

ребра. Присоединившись на участке А

(светлая полоса у кромки)

вторичный поток продолжает движение навстречу основному тече-

нию вплоть до передней кромки ребра, возле которой происходит их

встреча и отрыв возвратного пограничного слоя, формирующий в

ГЛАВА 2

Рис. 2.17. Распределение коэффициентов статического давления по высоте ребра

трубы типа 6 (h/d = 0,357), расположенной в 1-ом ряду, при Re = 2·10

: 1 – ω = 0

;

2 – ω = 30

; 3 – ω = 60º; 4 – ω = 90º; 5 – ω = 120º; 6 – ω 150º; 7 – ω = 180º

целом циркуляционную зону А. В итоге линия основного отрыва,

являющаяся внешней границей зоны А, совмещается с передней

кромкой ребра. Сюда смещается и точка сингулярного отрыва S, яв-

ляющаяся, как отмечалось выше, одновременно и критической точкой

для основного и вторичного течений, окрестность которой в пределах

поверхности ребра и наблюдается как часть темного ромбовидного

пятна (рис. 2.2, 2.16). Таким образом на значительной части ребра

практически нет участков, в пределах которых наблюдалось бы дви-

жение потока, отвечающее традиционным представлениям.

Рис. 2.17, обобщающий результаты измерений полей статиче-

ских давлений при h/d = 0,357, в сопоставлении с распределениями

рис. 2.12, полученными на относительно высоком ребре (h/d =

0,932), показывает трансформацию полей статических давлений

при изменении параметра h/d . Кривая на рис. 2.12, отражающая в

случае h/d = 0,932 практически монотонное изменение давления в

плоскости симметрии (w = 0 °) зоны А от максимума в месте при-

соединения вторичного течения у стенки несущей трубы до значе-

ния в месте его отрыва от поверхности ребра (P

» 0,30), сменяется

при переходе к h/d = 0,357 (рис.2.17) неоднозначной кривой с ло-

кальным минимумом в области P

» 0,33 и ростом давления в при-

корневой области P

» 0,33…0,5 по направлению к вершине ребра.

Раздел 2.3

Такая трансформация распределения давлений на ребре и приводит

к дополнительному отрыву вторичного течения в зоне А с образо-

ванием в области P

» 0,47…0,75 отрывного пузыря. Изменение

числа Рейнольдса в исследованной области его значений

Re = 2×10

… 5×10

не приводит к существенному изменению харак-

тера кривых C

= f(w, P

) в лобовой части ребра.

Логически оправданным следующим этапом визуальных исследо-

ваний были эксперименты, направленные на определение значения пара-

метра (h/d)

, при котором в рассматриваемой режимной области происхо-

дит переход от схемы “а” течения в передней части ребра к схеме “б” (рис.

2.11). Такие эксперименты выполнялись с трубами серий 6-10 (табл. 3.1), у

которых варьировалась высота ребра при фиксированных прочих геомет-

рических характеристиках. Перестроение схемы течения наблюдалось в

интервале значений параметра h/d, составляющем примерно h/d »

0,36…0,46 (рис. 2.18). Точного граничного значения (h/d)

получить не

удалось ввиду нечеткости картины течения в переходной области и слож-

ности определения при этом границы зоны А , однако, по всей видимости,

можно ориентироваться на величину (h/d)

= 0,4.

Рис. 2.18. Результаты экспериментов по определению значения параметра (h/d),

при котором происходит перестроение схемы течения в передней части ребра

Исходя из всего вышесказанного, можно утверждать, что отрывная

зона перед лобовой частью несущей трубы существует при лобовой высо-

те ребра, достаточной для образования на его поверхности пограничного

салоя. Величина же зазора между ребрами в практически применимом

интервале ее значений существенного влияния на механизм образования и

размеры отрывной зоны не имеет. Течение в зонах, подобных описанной,

исследовалось в [100, 101] применительно к случаю их образования перед

цилиндрическими уступами, установленными на продольно-омываемой

пластине. Однако в наиболее известных публикациях, посвященных теп-

лообмену и обтеканию ребристых труб [18-20, 22, 36, 37] об этом явлении

нет никаких сведений, за исключением работы [8], где упоминается о

существовании перед несущим цилиндром подковообразного вихря.

В работах же [18-20, 22] и некоторых других публикациях, напротив,

ГЛАВА 2

говорится о наличии у оснований межреберных полостей застойных

зон, связанных с “обволакиванием” несущей трубы и корневых частей

ребер утолщенным погрпаничным слоем, и выключении вследствие

этого части поверхности из активного теплообмена.

Обратимся теперь к рассмотрению особенностей течения на части

ребра, лежащей ниже миделевого сечения ребристой трубы. В области

аэродинамической тени несущей трубы, судя по рис. 2.5, 2.9, понижен-

ные скорости сочетаются со значительной завихренностью. Хорошо

видны места отрыва потока от поверхности несущей трубы, однако, по

их положению нельзя судить о режиме ее обтекания, как это делается

при исследованиях обтекания гладкого цилиндра, т.к. в данном случае

отрыв фиксируется в находящемся вблизи поверхности ребра притор-

моженном слое. Кроме того, существенное влияние на процесс оказыва-

ет взаимодействие пограничных слоев цилиндра и ребра. Во время опы-

тов, как отмечалось выше, саже-керосиной взвесью покрывалось только

нижнее от разъема ребро. Это позволило обнаружить на границе следа за

несущим цилиндром зоны интенсивных трехмерных возмущений по

появившимся на противостоящей чистой поверхности соседнего ребра

двум узким полосам (рис. 2.6), образовавшимся за счет поперечного пе-

реноса взвеси с окрашенной поверхности (рис. 2.5 и рис. 2.6 получены в

одном эксперименте). Возникновение этих узких, четко очерченных зон

связано с отрывом от несущего цилиндра пограничных слоев, подвер-

женных воздействию циркуляционных течений, которые образуются в

зоне А и распространяются далее вниз по направлению основного пото-

ка. В результате отмеченного воздействия происходит закрутка сдвиго-

вых слоев, оторвавшихся от поверхности несущего цилиндра, с образо-

ванием вихревых жгутов, имеющих оси вращения, параллельные

поверхности ребра. Ближе к задней кромке ребра вихревые жгуты сво-

рачиваются относительно осей, перпендикулярных плоскости ребра, в

крупномасштабные вихревые образования (рис. 2.19). Структура по-

следних, таким образом, является трехмерной и более сложной по срав-

нению со структурой крупномасштабных вихрей, образующихся за

гладкими цилиндрами, как и характер течения в следе в целом, что опре-

деляет более высокий, чем в пакетах гладких цилиндров, уровень воз-

мущенности потока в пакетах ребристых труб

Между обнаруженными узкими зонами интенсивных трехмерных воз-

мущений располагается зона с мелкими вихревыми структурами, ха-

рактеризующаяся слабым рециркуляционным движением – “вихревой

мешок”. У кромки ребра эта зона сменяется областью действия опи-

санных выше трехмерных крупномасштабных вихрей. При увеличении

числа Рейнольдса (рис. 2.7-2.8) наблюдается приближение области

крупномасштабных вихрей к стенке несущего цилиндра и соответст-

вующее сокращение размеров зоны слабого рециркуляционного

_____________________

)

Здесь и далее под возмущенностью потока следует понимать наличие в

потоке нерегулярных и регулярных вихревых структур, интенсифицирующих

процессы переноса.

Раздел 2.3

Рис. 2.19. Схема образования крупномасштабных вихрей в кормовой части реб-

ристого цилиндра: 1 – вторичные течения; 2 – вихревой жгут

движения, что должно приводить к некоторому выравниванию тепло-

отдачи в кормовой области ребра. Размеры кормовой вихревой зоны в

целом (включающей зону слабого рециркуляционного движения и об-

ласть действия крупномасштабных вихрей) зависят от геометрии реб-

ристой трубы. При увеличении высоты ребра растет толщина погра-

ничного слоя на его поверхности, что влечет за собой увеличение

степени вытеснения потока из межреберных каналов и, как следствие,

рост ширины кормовой вихревой зоны (рис. 2.6, 2.7). Увеличению сте-

пени вытеснения потока способствует и уменьшение шага ребер.

Так как высота и шаг ребер в большой мере определяют величину ко-

эффициента оребрения, то можно констатировать наличие прямой за-

висимости между размерами кормовой вихревой зоны и величиной y .

Существенной особенностью процессов в кормовой области ребри-

стой трубы является также то, что возвратные токи, имеющие место

в следе за поперечно-обтекаемым цилиндром, проникая в межребер-

ную полость, создают предпосылки для возникновения в прикорне-

вой зоне задней полуокружности ребра вторичных трехмерных тече-

ний, аналогичных по характеру вторичным циркуляционным

течениям лобовой прикорневой зоны А. Сказанное хорошо согласу-

ется с данными работы [12], авторы которой наблюдали сильную

возвратную струю в следе, взаимодействующую с ребристой трубой

“подобно тому, как взаимодействует основной набегающий поток”.