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

Подождите немного. Документ загружается.

ГЛАВА 2

Интенсивность этих вторичных течений определяется уровнем ло-

кальных скоростей и степенью турбулентности в возвратном тече-

нии, которые при Re = const зависят от геометрии ребристых труб и

трубного пакета. По аналогии с передней частью ребра более интен-

сивные вторичные течения в кормовой области имеют место при не-

высоких значениях параметра h/d . Вследствие того, что скорость

возвратных токов U

, как правило, ниже скорости набегающего на

ребристую трубу потока U

(в частности, по данным [102] U

» 0,3

), интенсивность вторичных течений у тыльной стороны несущего

цилиндра в целом несколько ниже, чем у лобовой. Поэтому при вы-

бранном методе визуализации течения тыльная отрывная зона на-

блюдается далеко не всегда (на рис. 2.3, например, на ее существо-

вание указывает узкая светлая полоса у задней полуокружности

несущей трубы).

Результаты измерения полей статических давлений (рис. 2.12,

2.17) в достаточной мере подтверждают сказанное о характере про-

цессов в кормовой части ребра. Некоторый подъем значений С

тыльной стороны несущего цилиндра (P

< 0,15) в окрестности осевой

плоскости (w = 180±30 °) означает наличие положительного градиента

давления для возвратного течения, являющегося необходимым усло-

вием отрыва возвратного пограничного слоя и формирования

трехмерной циркуляционной зоны в этой области ребра. Причем

для труб типа 6 (h/d = 0,357) отмеченный подъем величин С

более

значителен, чем для труб типа 5 (h/d = 0,937), что свидетельствует о

большей интенсивности возвратных токов и порождаемых ими у

тыльной стороны несущего цилиндра вторичных течений в первом

случае, чем во втором. Пониженные значения С

у кромки ребра при

w = 120…180° отражают воздействие трехмерных крупномасштаб-

ных вихрей. Таким образом, вторичные циркуляционные течения

определяют гидродинамическую обстановку не только в передней,

но и в кормовой части ребра.

Представляют интерес изменения в картине течения при пере-

мещении опытной трубы из первого в глубинный ряд пакета с боль-

шой величиной продольного шага S

. В таком пакете поле скоро-

стей перед глубинным рядом в значительной мере успевает

выровняться, благодаря чему условия омывания труб глубинного

ряда отличаются от условий омывания труб первого ряда практиче-

ски только большей степенью турбулентности потока, что позволяет

проследить влияние этого фактора.

На рис. 2.20, 2.21 показаны результаты такого исследования,

полученные как и для первого ряда (рис. 2.5, 2.6) при Re = 5,7×10

Вследствие того, что в глубине пакета набегающий на трубу поток

является более турбулизованным, чем перед пакетом, увеличивается

его способность к преодолению положительного градиента давле-

ния, что приводит к некоторому уменьшению размеров зоны А и

смещению вниз по потоку точек отрыва от несущего цилиндра.

Раздел 2.3

Наиболее заметно преобразуется кормовая зона. Простирающиеся за

несущем цилиндром слои со сдвигом в глубинном ряду становятся

менее устойчивыми и область трехмерных крупномасштабных вих-

рей приближается почти вплотную к стенке цилиндра, сокращая до

минимума зону слабого рециркуляционного течения, что, как и при

увеличении числа Рейнольдса, должно сопровождаться выравнива-

нием теплоотдачи в кормовой области ребра. На фотографиях видны

места зарождения вихрей и дорожки, образовавшиеся при их после-

дующем периодическом отрыве и сносе вниз по течению. Ввиду то-

го, что полученные картины течения являются осредненными за от-

носительно большой промежуток времени, на фотографиях видны

следы и левых и правых вихрей, хотя в действительности, вследст-

вие поочередного их образования, мгновенная картина следа не

должна быть семмитричной.

Рис. 2.20. Течение на ребре. Пакет

Ш0101, s

= 3,98; s

= 9,48; s

0,42; 2-й – 5-й ряды; Re = 5,7·10

Рис. 2.21. След на чистом ребре. Пакет

Ш0101; 2-й – 5-й ряды; Re = 5,7·10

2.2.2. Течение на ребре в условиях влияния соседних

оребренных труб

Визуальные исследования особенностей течения на ребре в ус-

ловиях влияния соседних оребренных труб выполнялись примени-

тельно к пакетам с шахматной компоновкой. В случае коридорной

компоновки влияние соседних труб на картину течения на ребре

прослеживалось значительно слабее. Поэтому особенности течения в

коридорных пакетах изучались путем визуализации в пакетах в це-

лом, когда влияние шаговых характеристик становилось более на-

глядным.

По мере уменьшения продольного шага труб в пакете, начиная

от компоновки, с достаточно удаленными друг от друга (s

³ 9) и

ГЛАВА 2

слабо аэродинамически взаимодействующими между собой попе-

речными рядами, картина течения на ребре постепенно изменяется.

Это хорошо заметно при сравнении фотографий, полученных при

близких значениях чисел Рейнольдса для пакетов Ш0102 (рис. 2.22-

2.24) и Ш0101 (рис. 2.5, 2.6, 2.20, 2.21), имеющих одинаковый (ми-

нимальный) для труб типа I) поперечный шаг S

, но сильно отли-

чающихся продольным шагом (S

= 72 мм и S

= 200 мм соответст-

венно). Изменения начинаются уже в первом ряцу пакета Ш0102

(рис. 2.22, 2.23), где за счет поджимающего воздействия труб второ-

го ряда, противодействующего отмеченному выше вытеснению по-

тока из межреберных каналов, линии тока ниже миделевого сечения

меняют свою кривизну на противоположную по сравнению с рис.

2.5, 2.6 и ориентируются в область за несущим цилиндром, изменяя

конфигурацию и сокращая размеры кормовой вихревой зоны. Кроме

того, изменяется соотношение размеров области слабого рециркуля-

ционного движения и области крупномасштабных вихрей кормовой

зоны: размеры первой из них значительно сокращаются, а второй -

соответствующим образом возрастают.

Рис. 2.22. Течение на ребре.

Пакет Ш0102, s

= 3,98; s

= 3,43;

= 1,16; 1-й ряд; Re = 5,3·10

Рис. 2.23. След на чистом ребре. Пакет

Ш0102, 1-й ряд; Re = 5,3·10

Аналогичные изменения имеют место и на ребрах труб глу-

бинных рядов (риc. 2.24), где, кроме того, центры зарождения левых

и правых крупномасштабных вихрей сливаются в одну точку. Одна-

ко здесь изменения касаются и передней части ребра, где поток под

влиянием труб предлежащего ребра также "вжимается" в межребер-

ные каналы, несколько изменяя конфигурацию линий тока и границ

отрывной зоны А. Это наиболее заметно на рис. 2.25, соответствую-

щем скорости потока почти в два раза меньшей (Re = 2,6×10

), чем на

рис. 2.24. Иными словами, присутствие соседних поперечных рядов

оказывает на омывающий ребристую трубу поток воздействие, сход-

ное с воздействием дефлектора, вследствие чего увеличивается

расход среды в межреберных каналах, а значит и уровень локальных

Раздел 2.3

скоростей у поверхности ребер. Говоря об изменении гидродинамиче-

ских условий на ребре в глубинном ряду пакета при варьировании про-

дольного шага S

, следует иметь в виду и изменение степени турбу-

лентности потока, которое, судя по данным работы [I03], имеет место.

Рис. 2.24. Течение на ребре. Пакет

Ш0102, 2-й – 5-й ряды; Re = 5,3·10

Рис. 2.25. Течение на ребре. Пакет

Ш0102, 5-й ряд; Re = 2,6·10

Рис. 2.26. Течение на ребре. Пакет

Ш0104, s

= 6,57; s

= 3,48; s

1,89; 3-й – 5-й ряды; Re = 5,2·10

Рис. 2.27. Течение на ребре. Пакет

Ш0103, s

= 4,93; s

= 3,10; s

1,59; 1-й ряд; Re = 5,5·10

На рис. 2.26 - 2.37 показаны фрагменты течения в различных

поперечных рядах шахматных пакетов Ш0104, Ш0103, Ш0102, по-

зволяющие проследить влияние на характер омывания ребра вели-

чины шага S

, а также положения поперечного ряда по глубине паке-

та. Изображения получены при примерно равных значениях чисел

Рейнольдса Re » (5,2...5,5)10

. Из сопоставления фотографий рис.

2.26, 2.29, 2.24 для пакетов Ш0104, Ш0103, Ш0102, имеющих прак-

тически одинаковые продольные шаги S

, но отличающиеся попе-

речным шагом S

, равным 138, 103,5 и 83,5 мм соответственно,

ГЛАВА 2

видно, что поджимающее влияние труб соседних рядов возрастает

также при уменьшении шага S

. Это хорошо заметно на участке реб-

ра, лежащем ниже миделевого сечения. На рис. 2.26, соответствую-

щем наибольшему из трех рассматриваемых значений S

, как и в

случае высоких значений S

, размеры кормовой вихревой зоны наи-

большие, отчетливо видна клиновидная область возвратных токов, а

центры зарождения крупномасштабных вихрей несколько разнесе-

ны. При переходе от пакета Ш0104 к пакету Ш0102 характер изме-

нения конфигурации линий тока такой же, как и при уменьшении

шага S

: они все более ориентируются в область за несущим ци-

линцром, размеры кормовой вихревой зоны уменьшаются, центры

зарождения крупномасштабных вихрей совмещаются. Поджимаю-

щее воздействие соседних труб достигает максимума при минималь-

но возможных для данного оребрения значениях продольного и по-

перечного шага, т.е. тогда, когда ребра всех труб пакета вплотную

примыкают друг к другу, чему соответствует условие

SSD

откуда

S/S2/31,15

=»

. В этом случае каждая труба как бы

оказывается в кольцевом дефлекторе, образованном из шести сосед-

них труб. При этом практически весь поток теплоносителя проходит

через межреберные каналы, кормовая вихревая зона сокращается до

минимума и уровень локальных скоростей у поверхностей ребри-

стых труб при фиксированном числе Рейнольдса достигает макси-

мального значения. Приблизительно такой геометрией обладает па-

кет Ш0102: S

= 83,5,

= 83,2, D = 81 мм; S

= 1,16.

Рис. 2.28. Течение на ребре. Пакет

Ш0103, 2-й ряд; Re = 5,5·10

Рис. 2.29. Течение на ребре. Пакет

Ш0103, 3-й – 5-й ряды; Re = 5,5·10

Анализ результатов исследования характера омывания ребра в раз-

личных поперечных рядах труб пакетов Ш0102, Ш010З, Ш0106 позволил

выявить некоторые закономерности изменения картины течения по рядам

при различных значениях параметра S

в дополнение к уже отмечен-

ным выше особенностям перехода от первых к глубинным рядам. В паке-

Раздел 2.3

Рис. 2.30. Течение на ребре. Пакет

Ш0103, 6-й ряд (выхлопной);

Re = 5,5·10

Рис. 2.31. След на чистом ребре. Пакет

Ш0103, 6-й ряд; Re = 5,5·10

Рис. 2.32. Течение на ребре. Пакет

Ш0106, s

= 6,57; s

= 2,19; s

3,00; 1-й, 2-й ряды; Re = 5,3·10

Рис. 2.33. След на чистом ребре. Пакет

Ш0106, 1-й; 2-й ряды; Re = 5,3·10

тах с большими значениями S

, например, в пакете Ш0106 (рис.

2.32 - 2.34), в отличие от пакетов с малыми значениями S

(пакет

Ш0102, рис. 2.22 - 2.24) картина течения на ребре стабилизируется,

начиная с третьего ряда, причем в первом и втором рядах она прак-

тически одинакова. При уменьшении S

до среднего из трех ис-

следованных значений (пакет Ш010З, рис. 2.27 - 2.29) стабилизация

наблюдается также с третьего ряда, однако, между картинами тече-

ния в первом и втором рядах (рис. 2.27 и рис. 2.28) уже имеются раз-

личия. Для пакетов с малыми значениями S

(Ш0101, Ш0102) кар-

тина течения стабилизируется со второго ряда. Имеют место также

различия в обтекании глубинных и последних в пакете рядов труб,

причем они тем заметнее, чем больше величина параметра S

. Для

пакета Ш0106 (S

= max) различия наблюдаются как в выхлопном,

ГЛАВА 2

Рис. 2.34. Течение на ребре. Пакет

Ш0106, s

= 6,57; s

= 2,19; s

3,00; 3-й – 5-й ряды; Re = 5,3·10

Рис. 2.35. Течение на ребре. Пакет

Ш0106, 6-й ряд (предвыхлопной);

Re = 5,3·10

Рис. 2.36. Течение на ребре. Пакет

Ш0106, 7-й ряд (выхлопной); Re = 5,3·10

Рис. 2.37. След на чистом ребре. Пакет

Ш0106, 7-й ряд; Re = 5,3·10

так и в предвыхлопном рядах (рис. 2.34 - 2.37). В предвыхлопном

ряду расположенная ниже миделевого сечения часть ребра омывается бо-

лее интенсивно, чем соответствующие участки ребер труб, лежащих выше

по течению рядов. Это связано с тем, что вследствие отсутствия препятст-

вия непосредственно за трубами предвыхлопного ряда большая часть по-

тока через межреберные каналы кормовых половин этих труб устремляет-

ся в широкое свободное пространство между трубами последнего ряда, а

не в их межреберные каналы, как это происходит в глубинных рядах. При

этом уменьшаются размеры кормовой вихревой зоны (рис. 2.35) и увели-

чивается расход теплоносителя в межреберных каналах труб предвыхлоп-

ного ряда. Одновременно снижается расход теплоносителя в межребер-

ных каналах труб выхлопного ряда, чему способствует также отсутствие

поджатия потока в кормовой части этих труб. Кроме того, вследствие от-

сутствия поджатия увеличиваются размеры вихревой кормовой зоны

Раздел 2.3

(рис. 2.36, 2.37), а картина течения в целом становится похожей на карти-

ну течения на ребрах труб пакета Ш0101 (рис. 2.20, 2.21), характеризую-

щегося большим значением продольного шага S

. Отмеченные особенно-

сти омывания ребер должны приводить к увеличению теплоотдачи труб

предвыхлопного и снижению теплоотдачи труб выхлопного ряда пакетов

с большим значением S

по

сравнению с теплоотдачей труб глубинных

рядов. При снижении величины S

различия в характере омывания

предвыхлопных и глубинных рядов уменьшаются и при значениях S

1,15 практически исчезают.

На основании выявленной взаимосвязи между характером

омывания труб первого и последних рядов и величиной параметра

размещения S

можно сделать вывод о том, что поправка, учиты-

вающая влияние на средний теплообмен шахматных пакетов числа

поперечных рядов труб, должна зависеть от S

2.3. Течение в пакетах в целом

Визуализация течения в пакетах в целом проводилась с ис-

пользованием труб типов 1-3. Результаты исследований представ-

лены на фотографиях рис. 2.38 - 2.49, полученных при близких

значениях чисел Рейнольдса (Re = 5,1×10

...5,7×10

). Изучение фо-

тографий подтвердило правомерность применения способа визуа-

лизации течения на трубных досках для изучения закономерно-

стей омывания пакетов в целом, т.к. картины течения на участках

трубных досок, соответствующих границам ребер, четко обозна-

чившихся благодаря повышенным (по отношению к скоростям в

межтрубных промежутках) скоростям потока в межреберных ка-

налах, достаточно полно соответствуют изображениям, получен-

ным непосредственно на ребрах. Данные по визуализации течения

на трубных досках подтвердили основные выводы, сделанные в

результате изучения течения на ребрах, и позволили выявить не-

которые новые качественные закономерности омывания труб в

пакетах.

Прежде всего, следует отметить, что основным источником

возмущений в потоке, омывающем трубы пакета, является цилиндр,

несущий оребрение. Возникающие вследствие отрыва от него закру-

ченных сдвиговых слоев трехмерные крупномасштабные вихревые

образования сразу же после выхода за пределы межреберных кана-

лов распадаются в мелковихревую структуру, образующую за реб-

ристой трубой четко обозначившийся темный турбулентный след.

Размеры этого следа и характер его взаимодействия с трубами, ле-

жащими ниже по течению, зависят от компоновки пакета и геомет-

рии ребристых труб.

ГЛАВА 2

а) Шахматная компоновка

Рассмотрим вначале выявленные особенности применительно

к пакетам с шахматной компоновкой. В этом случае размеры турбу-

лентного следа и характер его взаимодействия с трубами, лежащими

ниже по течению, при фиксированной геометрии оребрения опреде-

ляются как продольным, так и поперечным шагами труб и достаточ-

но хорошо учитываются параметром S

. Сказанное следует, в ча-

стности, из анализа картин течения рис. 2.38 - 2.43, полученных в

результате экспериментов с шахматными пакетами труб типа 1. При

больших значениях параметра S

(рис. 2.38) ширина турбулентно-

го следа максимальна из-за слабого поджимающего воздействия

труб соседнего поперечного ряда, обусловленного большой величи-

ной шага S

. Благодаря же малому значению шага S

, след, характе-

ризующийся по данным [103, 104] высоким уровнем турбулизации

на малом удалении от цилиндра, его образующего (рис. 2.50), накла-

дывается на значительную часть поверхности трубы, расположенной

в том же продольном ряду пакета ниже по течению. Таким образом,

Рис. 2.38. Течение в пакете Ш0106, s

= 6,57; s

= 2,19; s

= 3,00; Re = 5,3·10

Раздел 2.3

поверхность труб глубинных рядов пакетов, имеющих большие зна-

чения параметра S

, практически полностью омывается сильно

возмущенным потоком: в кормовой части это собственный ближний

след за несущим цилиндром (кормовая вихревая зона), а в передней -

ближний след от трубы, расположенной выше по потоку.

При снижении параметра S

путем уменьшения шага S

про-

исходит поджатие и уменьшение размеров вихревого следа, вследст-

вие чего как в передней, так и в кормовой части ребристой трубы

уменьшается доля поверхности, омываемой сильно возмущенным

потоком. Это можно проследить, сопоставляя фотографии рис. 2.40 -

2.42 для пакетов Ш0104, Ш0103, Ш0102 с примерно равными, отно-

сительно небольшими значениями шага S

и существенно различ-

ными значениями шага S

. При

11min

SS= (рис. 2.42) доля такой

поверхности становится минимальной, т.к. размеры вихревой кор-

мовой зоны сокращаются до минимума и, кроме того, она практиче-

ски не накладывается на поверхность трубы, лежащей ниже по тече-

нию.

Снижение параметра S

за счет увеличения шага S

(см.

рис.2.38 - 2.40) также приводит к уменьшению доли поверхности,

омываемой сильно возмущенным потоком, так как в этом случае им

омывается только кормовая область каждой трубы глубинного ряда.

На остальную же долю поверхности накладывается участок следа,

уровень турбулизации на котором тем ниже, чем больше расстояние

от источника возмущения (рис. 2.50), т.е. чем больше удвоенный шаг

. Таким образом, снижение параметра S

как за счет уменьше-

ния шага S

, так и за счет увеличения шага S

приводит к уменьше-

нию уровня возмущенности потока, омывающего трубы глубинных

рядов.

Необходимо, однако, отметить, что снижение уровня возму-

щенности потока, о котором в значительной мере можно судить по

величине степени турбулентности, должно иметь место только до

некоторого, достаточно малого значения S

, ниже которого в оп-

ределенном интервале S

он должен оставаться постоянным. Этот

вывод следует из того, что получение малых значений параметра

в реальных интервалах изменения шагов S

и S

возможно

только за счет увеличения продольного шага S

, а при больших зна-

чениях S

, как уже отмечалось, постепенно исчезает поджимающее

воздействие труб соседних рядов, размеры кормовой вихревой зоны

растут, соответствующим образом увеличивается ширина турбу-

лентного следа и он начинает взаимодействовать с трубами соседних

продольных рядов (рис. 2.43). При этом расстояние между взаимо-

действующими трубами сокращается до величины L = S

(вместо L =

в рассмотренных выше случаях), чему соответствует более вы-

сокий уровень турбулизации потока. Все это компенсирует естест-

венное снижение уровня возмущенности в следе при увеличении

расстояния L до турбулизатора, которое при больших значениях L/d,