доктор технических наук
Московский авиационный институт
ведущий научный сотрудник
УДК 532.517.4 : 536.24
1. Введение
В ракетно-космической и авиационной технике широко применяются различного рода теплообменники, в которых, в результате интенсификации теплообмена, может быть достигнуто снижение его массогабаритных показателей при наперёд заданном тепловом потоке, гидравлических потерях, расходе и температурах теплоносителя; в ряде случаев задачей является получение заданного температурного уровня стенок поверхности теплообмена при фиксированных режимных и конструктивных характеристиках.
Эффективным методом решения данных проблем является интенсификация теплообмена в каналах, в том числе, некруглого поперечного сечения.
В современных теплообменных аппаратах и теплообменных устройств, применяемых в авиационной промышленности, широко используются теплообменные устройства с каналами, имеющими некруглое поперечное сечение, в частности, плоские каналы.
Следует отметить, что в некоторых этих каналов теплообмен осуществляется не через всю омываемую поверхность.
Математическое моделирование процессов теплообмена в каналах с интенсифицированными поверхностями проводилась в работах целого ряда авторов, в том числе: Галина Н.М., Иевлева В.М., Исаева С.А., Калинина Э.К., Ляхова В.К., Мигая В.К., Мидуэлла У., Миллионщикова М.Д., Нуннера В., Олимпиева В.В., Саберски Р.Х., Таунса Х.С., Уилки Д., Уилсона М. и их учеников.
Кроме симметричного теплового нагружения плоского канала довольно часто имеет место асимметричное, т.е. тепловые потоки на различных поверхностях оказываются неодинаковыми: например, плоские каналы с односторонним обогревом или с двусторонним обогревом с разными тепловыми потоками.
Для создания компактных теплообменных аппаратов и теплообменных устройств применяется интенсификация теплообмена.
Интенсификация теплообмена в плоских каналах достигается, в основном, двумя путями: турбулизацией потока и развитием поверхности теплообмена, например, оребрением. Может применяться комбинация вышеупомянутых методов интенсификации.
Способ интенсификации теплообмена, связанный с развитием поверхности теплообмена, в большинстве случаев приводит к значительному увеличению стоимости каналов по сравнению с гладкими каналами, в то же время он может быть неэффективен для определённых режимных и физических параметров процесса теплообмена, а именно: они имеют значительные по сравнению с несущим каналом размеры, что делает невозможным их применение в узких плоских каналах; данные устройства целесообразно применять при малых плотностях теплового потока, когда термическое сопротивление оребрения несущественно — с ростом тепловых потоков эффективность оребрения резко падает; при больших плотностях тепловых потоков применение оребрения нецелесообразно; также эффективность оребрения резко снижается при использовании материалов с низкой теплопроводностью (например, для нержавеющих сталей); промышленное изготовление оребрённых каналов гораздо сложнее, чем гладких, поэтому они обладают более высокой стоимостью по сравнению с последними. Интенсификация теплообмена в плоских каналах посредством установки поверхностных турбулизаторов лишена вышеуказанных недостатков, присущих развитию поверхности теплообмена [1].
Интенсификация теплообмена путём турбулизации потока не требует существенного увеличения внешних размеров плоских каналов и поэтому применима в любых плоских каналах.
Изготовление турбулизаторов на поверхности плоских каналов не связано со значительными технологическими трудностями.
Специфическая задача данного раздела заключается в генерации расширенной математической модели, описывающей интенсифицированный теплообмен для плоских каналов с односторонними турбулизаторами потока т.е. модели, работающей в более широком диапазоне определяющих параметров, чем в существующих работах [4, 16—19], при одновременном детерминировании распределения среднего температурного напора по подслоям, т.к. для других условий данную задачу можно считать решённой [4, 16—19].
2. Математическое моделирование распределения температурного напора по подслоям
Схема интенсификации теплообмена для плоского канала посредством установки турбулизаторов подробно приведена в [1—4, 13, 16—20].
Нижнюю поверхность плоского канала будем, по аналогии с кольцевым каналом, условно называть внутренней, а верхнюю — внешней.
В рамках данного исследования рассматривается случай, когда турбулизаторы устанавливаются на поверхности внутренней трубы. Резюмируя вышесказанное, можно сделать следующий вывод: оптимальным методом интенсификации теплообмена в плоских каналах является применение периодических поверхностно расположенных турбулизаторов потока, который позволяет существенно интенсифицировать теплоотдачу при умеренном росте гидравлического сопротивления.
Моделирование интенсифицированного теплообмена при турбулентном течении в плоских каналах с периодическими поверхностно расположенными турбулизаторами потока производится по методике, аналогичной методике, применённой для кольцевых каналов с турбулизаторами [2—4].
Следовательно, данная теория позволяет описать с единых позиций интенсифицированный теплообмен как для круглых труб [4—12], так для кольцевых [2—4] и плоских каналов с турбулизаторами. Известно, что при интенсификации теплообмена высота максимальной скорости в плоском канале, интенсифицированном посредством периодически расположенных поверхностных турбулизаторов, смещается в сторону поверхности, с меньшим коэффициентом сопротивления [13].
Положение высоты максимальной скорости детерминируется эмпирической формулой, полученной в [4; 16—19], на основе обработки экспериментальных данных Wilkie, Cowin, Burnett, Burgoyne приведённых в [13].
Так же, как и для случая с кольцевыми каналами [2—4], в данном исследовании принято, что диаметр гладкого канала равен диаметру канала, несущего оребрение, а скорость потока определялось по сечению канала, которое было бы при отсутствии оребрения. Вышеуказанный подход в полной мере правомерен, поскольку при рассматриваемом типе предельной турбулизации используются относительно невысокие выступы. В дальнейшем весь сравнительный анализ производился по эквивалентному диаметру плоского канала.
Для расчёта интенсифицированного теплообмена в плоском канале с турбулизаторами необходимо определить температурный напор для всех подслоёв. С этой целью плоский канал разбивается на три подслоя с внешней (без турбулизаторов) стороны и на четыре подслоя с внутренней (с турбулизаторами) стороны, т.е. интенсифицированный теплообмен в плоском канале с турбулизаторами моделируется семислойной схемой турбулентного пограничного слоя: для гладкой стороны — вязкий подслой, промежуточный подслой, турбулентное ядро, для интенсифицированной стороны — вязкий подслой, промежуточный подслой, турбулентное ядро во впадине, турбулентное ядро.
Для количественного и качественного сравнения приведённой семислойной схемы турбулентного пограничного слоя для плоского канала с турбулизаторами её необходимо сравнить с аналогичными расчётными данными как для круглой трубы, полученных по четырёхслойной схеме турбулентного пограничного слоя [4—12], так и для кольцевого канала, полученных по семислойной схеме турбулентного пограничного слоя [2—4] при прочих равных условиях.
Следовательно, можно провести охват с единых модельных позиций интенсифицированного теплообмена для каналов с любым значением безразмерного радиуса канала (отношения меньшего радиуса канала к большему). Здесь для круглой трубы безразмерный радиус равен нулю, для плоского канала — единице, для кольцевого канала он принимает промежуточное значение.
В [16—19] было приведено сравнение расчётных значений относительного интенсифицированного теплообмена в зависимости от отношения t/h для круглой трубы (R1=0), кольцевого (R1=0,58) и плоского каналов (R1=1) при прочих равных условиях для h/dЭ =0,0375 при Re=105 и показано, что относительный интенсифицированный теплообмен выше для круглой трубы с турбулизаторами, несколько меньше он для кольцевого канала с турбулизаторами, ещё несколько ниже он для плоского канала с турбулизаторами, поэтому можно сделать вывод о том, что при прочих равных условиях расчётные значения относительного интенсифицированного теплообмена снижаются со снижением безразмерного радиуса R1, что является дополнительным доводом меньшей предпочтительности кольцевых и плоских каналов к круглым трубам в плане интенсификации теплообмена посредством установки поверхностных периодически расположенных турбулизаторов потока.
Расчётные значения для теплообмена для воздуха в плоском канале с периодически поверхностно расположенными турбулизаторами потока сравниваются с соответствующими экспериментальными данными различных авторов, наиболее полно представленными в [13], в работах [4; 16—19], в которых имеет место очень хорошее согласование теории и эксперимента.
Кроме вышеуказанного сравнения сравнения теории с экспериментом для относительно небольшого интервала определяющих параметров в работах [4; 16—19] был проведён аналогичный анализ для более широкого диапазона чисел Рейнольдса, Прандтля и геометрических характеристик турбулизаторов, который доказал, что теория довольно адекватно описывает существующий экспериментальный материал в очень широком диапазоне определяющих параметров.
В дальнейшем, после верификации сгенерированной математической модели экспериментом по осреднённому теплообмену в плоских каналах с односторонними турбулизаторами потока для широкого диапазона определяющих параметров, ставится задача детерминирования распределения среднего температурного напора по подслоям, чтобы знать, каким образом распределяется температурный напор по потоку и какой из подслоёв рациональнее интенсифицировать в зависимости от определяющих параметров.
Очень важным обстоятельством является то, что полученные решения относительно значений интенсифицированного теплообмена для плоского канала с односторонними турбулизаторами на внутренней трубе [4; 16—19] зависят от того, какой вклад в общий средний температурный напор дают значения средних температурных напоров в каждом из семи подслоёв.
Знание вышеназванного позволит ответить на вопрос, какой подслой необходимо оптимальнее всего интенсифицировать.
В существующих работах частично рассматривался данный аспект только для круглых труб с турбулизаторами и крайне ограниченным образом и, в основном, относительно максимального температурного напора, что, естественно, снижает ценность расчётных данных в сравнении с данными относительно среднемассового температурного напора.
Следовательно, есть возможность применения данного апробированного подхода к решению задачи распределения среднего температурного напора по подслоям в плоских каналах с турбулизаторами на одной из сторон.
Анализ полученных расчётных данных по распределению температурному напору в плоском канале с турбулизаторами на одной стороне позволяет выявить закономерности его изменения в зависимости от геометрических и режимных параметров.
Общий анализ приведённыхданных показывает, что при увеличении относительной высоты турбулизаторов (h/dЭ) доля среднего температурного напора вязкого подслоя (внутреннего) снижается (в подавляющем случае) довольно незначительно, но может снизится примерно на четверть при использовании очень высоких турбулизаторов (h/dЭ=0,143); примерно то же самое можно сказать относительно доли промежуточного подслоя (внутреннего), причём снижение при использовании очень высоких турбулизаторов здесь составляет порядко пятой части; доля вихревого ядра во впадине ощутимо увеличивается и может достигать 15%; доля турбулентного ядра (суммарного) незначительно (порядко 10%) снижается (для очень высоких турбулизаторов снижение может достигнуть 40%); часть турбулентного ядра (внутреннего) увеличивается вплоть до перехода высоты турбулизаторов через буферный подслой, после чего она начинает снижаться с одновременным с увеличением доли вихревого ядра во впадине; доли внешних подслоёв во всех случаях относительно невелики.
Следовательно, в данном случае, для плоского канала с турбулизаторами на одной поверхности происходит перераспределение температурного напора из турбулентного ядра в вихревое ядро во впадине.
Анализ влияния числа Рейнольдса на распределение температурного напора по подслоям для плоского канала с турбулизаторами на одной поверхности показывает, что при его увеличении происходит ощутимое снижение доли вязкого подслоя, доля буферного подслоя сначала несколько увеличивается вплоть до выхода высоты турбулизатора величины буферного подслоя, а затем она несколько снижается.
При наибольшем рассматриваемом повышении числа Рейнольдса (почти на два порядка) доля вязкого подслоя может снизиться почти на 30%, доля буферного подслоя может повыситься на десятую часть, доля вихревого ядра во впадине может достичь около 10%, доля турбулентного ядра (суммарного) смогла повыситься около в двух раз; доли внешних вязкого подслоя и промежуточного подслоя, небольшие на небольших числах Рейнольдса, на больших числах Рейнольдса стали ещё меньше.
При меньших числах Рейнольдса основная доля температурного напора на воздухе срабатывается в промежуточном подслое, а при высоких числах Рейнольдса происходит перераспределение части температурного напора в вихревое ядро во впадине, поэтому это распределение температурного напора по подслоям является более равномерным.
В гладких плоских каналах вышеуказанное распределение не столь равномерное, а при увеличении числа Рейнольдса неравномерность ощутимо не снижается. Данное обстоятельство указывает на коренное различие в изменении распределения температурного напора по подслоям для плоских каналов с гладкими поверхностями по сравнению с плоскими каналами с турбулизаторами на одной из поверхностей.
Представленные данные указывают на более оптимальное распределение температурного напора по подслоям для плоских каналов с турбулизаторами на одной из сторон по сравнению с аналогичным гладкотрубным плоским каналом.
Далее необходимо провести анализ распределения среднего температурного напора по подслоям в плоских каналов с турбулизаторами на одной стороне в зависимости от относительного шага между турбулизаторами при прочих равных условиях.
Анализ полученных данных позволяет заключить, что при увеличении относительного шага между турбулизаторами t/dЭ происходит снижение вклада в средний температурный напор доли вязкого подслоя не более чем на 8% и буферного подслоя не более чем на 7,5% при увеличении относительного шага более чем на порядок при одновременном увеличении вклада вихревого ядра во впадине и турбулентного ядра потока.
Очень важным аспектом является влияние числа Прандтля на распределение среднеинтегрального температурного напора в плоских каналах с односторонними турбулизаторами.
Анализ полученных данных показывает различие на распределение температурного напора по подслоям при увеличении числа Прандтля. При Pr=10 доля вязкого подслоя составляет порядка двух третей для рассматриваемых чисел Рейнольдса; доля буферного подслоя составляет немногим менее одной трети; доля вихревого ядра во впадине составляет не более трёх с половиной процентов; доля турбулентного ядра составляет до двух процентов.
Влияние числа Рейнольдса на стратификацию для Pr=10 менее ощутимо, чем для Pr=0,72. В отличие от Pr=0,72, для Pr=10 основной температурный напор в плоском канале с односторонними турбулизаторами потока срабатывается в вязком подслое, меньший напор срабатывается в буферном подслое, а в остальных подслоях доля температурного напора относительно невелика.
Вышесказанное позволяет сделать вывод о существенном различии распределения температурного напора по подслоям для теплоносителей в виде капельных жидкостей от газообразных теплоносителей в плоских каналах с односторонними турбулизаторами.
Анализ влияния на температурный напор числа Прандтля при прочих равных условиях показывает, что доля вязкого подслоя увеличивается порядка 3,6% при увеличении числа Прандтля на единицу, аналогично доля буферного подслоя снижается примерно на 2,6%, доля вихревого ядра во впадине снижается примерно на 0,7%, доля турбулентного ядра потока снижается приблизительно на 0,55%. Следовательно, наибольшее влияние число Прандтля оказывает на подслои, которые располагаются ближе к стенке канала.
Представленный анализ позволяет заключить, что влияние числа Прандтля на распределение среднеинтегрального температурного напора по подслоям в плоских каналах с турбулизаторами на одной стороне довольно существенно, как и для случая плоских каналов с гладкими поверхностями.
Также, как и в случае газообразного теплоносителя, для теплоносителя в виде капельной жидкости распределение температурного напора по подслоям более рационально для плоских каналов с турбулизаторами на одной стороне по отношению к плоскому каналу с гладкими поверхностями при прочих равных условиях.
Интересным представляется сравнительный анализ распределения среднего температурного напора по подслоям для плоских каналов с турбулизаторами на одной из сторон по отношению к круглым трубам с турбулизаторами при прочих равных условиях. С этой целью полученные в данной работе данные по распределению среднего температурного напора по подслоям для плоского канала с односторонними турбулизаторами сравниваются с соответствующими данными для круглых труб при прочих равных условиях (равенство чисел Рейнольдса, Прандтля, относительных высот и шагов турбулизаторов).
Сравнение данных по распределению среднего температурного напора по подслоям в плоском канале с односторонними турбулизаторами потока с аналогичными данными для круглых труб с турбулизаторами [4—7; 9; 10; 16; 20] показывает, что в последних в вязком подслое срабатывается меньшая часть и большая часть — в турбулентном ядре, чем в первых. Вышеуказанное говорит о преимущественном распределении температурного напора по подслоям для круглой трубы с турбулизаторами по сравнению с плоским каналом с турбулизаторами одной из сторон.
Как показывает анализ, в рассматриваемом диапазоне чисел Рейнольса в трубах с турбулизаторами в вязком подслое и промежуточном подслое срабатывается меньший температурный напор в пределах примерно (10¸12)%, а в турбулентном ядре потока срабатывается гораздо бо́льший температурный напор.
Доля вихревого ядра во впадине для относительно невысоких турбулизаторов для плоского канала с односторонними турбулизаторами примерно такое же (в пределах процента). Турбулентное ядро потока в плоском канале с односторонними турбулизаторами составляет в 2¸3 раза бо́льшую часть среднего температурного напора, чем для круглых труб с турбулизаторами, для относительно высоких турбулизаторов, а для относительно низких — почти в 2 раза бо́льшую.
Другими словами, в круглой трубе с турбулизаторами в турбулентном ядре потока срабатывается гораздо бо́льший температурный напор, чем в плоском канале с односторонними турбулизаторами. Вышесказанное обусловливает редукцию плоского канала с односторонними турбулизаторами по отношению к круглой трубе с турбулизаторами в отношении рационального распределения температурного напора.
Влияние внешних подслоёв на распределение среднеинтегрального температурного напора в плоских каналах с односторонними турбулизаторами относительно невелико, оно определённо меньшее, чем для кольцевых каналов с односторонними турбулизаторами потока (на внутренней трубе).
Таким образом, в представленном научном исследовании были приведены расчётные данные и анализ по распределению среднеинтегрального температурного напора по подслоям для плоских каналов с турбулизаторами на одной стороне для широкого диапазона их геометрических характеристик и режимов течения теплоносителя, позволившие выявить области, которые необходимо интенсифицировать оптимальным образом.
3. Выводы
1. Сгенерирована теоретическая модифицированная математическая модель расчёта и получены аналитические зависимости для интенсифицированного теплообмена при турбулентном течении для плоского канала с односторонними турбулизаторами в зависимости от геометрических параметров канала и режимов течения теплоносителя. Результаты расчёта интенсифицированного теплообмена в плоских каналах с односторонними турбулизаторами в зависимости от определяющих параметров, хорошо согласующиеся с существующим экспериментальным материалом и имеющие перед последними неоспоримое преимущество, поскольку допущения, принятые при их выводе, охватывают гораздо более широкий диапазон определяющих параметров, чем ограничения, имеющиеся в экспериментах.
2. Сгенерированная математическая модель позволила рассчитать распределение среднеинтегрального температурного напора по подслоям в плоских каналов с односторонними турбулизаторами. Рассчитанные распределения среднеинтегрального температурного напора по подслоям позволили выявить закономерности перераспределения вышеуказанного напора по подслоям в зависимости от геометрических характеристик турбулизаторов (высоты, взаимного расположения, профиля поперечного сечения) и режимов течения теплоносителя (чисел Рейнольдса и Прандтля).
3. Влияние числа Рейнольдса оказывает существенное влияние на распределение среднего температурного напора в плоских каналах с односторонними турбулизаторами, особенно для вихревого ядра во впадине и турбулентного ядра потока. Влияние относительной высоты турбулизаторов на распределение среднего температурного напора при прочих равных условиях существенно для вихревого ядра во впадине и турбулентного ядра и невелико для вязкого и буферного подслоёв.
4. Влияние относительного шага на распределение среднего температурного напора при прочих равных условиях невелико. Влияние числа Рейнольдса на стратификацию для капельных жидкостей менее ощутимо, чем для газов; в отличие от газов, для капельных жидкостей основной температурный напор срабатывается в вязком подслое, меньший напор срабатывается в буферном подслое, а в остальных подслоях доля температурного напора относительно невелика. Максимальное влияние число Прандтля оказывает на подслои, которые располагаются ближе к стенке канала.
5. Обобщённой выявленной закономерностью влияния поверхностных поперечно расположенных односторонних турбулизаторов потока на распределение среднеинтегрального температурного напора по подслоям в плоских каналах является его перераспределение из вязкого подслоя в буферный подслой и из турбулентного ядра — в вихревое ядро во впадине. Теоретические расчёты доказали более оптимальное распределение температурного напора для круглой трубы с турбулизаторами по отношению к плоскому каналу с односторонними турбулизаторами потока при прочих равных условиях.
6. На базе разработанной семислойной модели турбулентного пограничного слоя можно осуществлять оптимизацию интенсификации теплообмена в плоских каналах с односторонними турбулизаторами, а также управлять процессом интенсификации теплообмена.
Комментарии пользователей:
Оставить комментарий