Публикация научных статей.
Вход на сайт
E-mail:
Пароль:
Запомнить
Регистрация/
Забыли пароль?
Международный научно-исследовательский журнал публикации ВАК
Научные направления
Поделиться:
Статья опубликована в №36 (август) 2016
Разделы: Техника
Размещена 16.07.2016. Последняя правка: 14.07.2016.

АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СТРАТИФИКАЦИИ ТЕМПЕРАТУРНОГО НАПОРА ПРИ ТУРБУЛЕНТНОМ ТЕЧЕНИИ В КОЛЬЦЕВЫХ КАНАЛАХ С ТУРБУЛИЗАТОРАМИ НА ВНУТРЕННЕЙ ТРУБЕ В ШИРОКОМ ДИАПАЗОНЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ И РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ НА ОСНОВЕ МОДИФИКАЦИИ СЕМИСЛОЙНОЙ МОДЕЛИ

Лобанов Игорь Евгеньевич

доктор технических наук

Московский авиационный институт

ведущий научный сотрудник

Аннотация:
Разработана модифицированная семислойная модель турбулентного пограничного слоя, позволившая получить более обоснованные и точные результаты расчёта как осреднённого теплообмена в кольцевых каналах с турбулизаторами на внутренней трубе, так и распределения среднего температурного напора по подслоям в широком диапазоне определяющих параметров. Выявлено кардинальное различие в распределении среднеинтегрального температурного напора по всем семи подслоям для кольцевых каналов с турбулизаторами на внутренней трубе соответствующих каналов с гладкими трубами в зависимости как от геометрии канала, так и от чисел Рейнольдса и Прандтля: в кольцевых каналах с турбулизаторами на внутренней трубе распределение температуры по потоку всегда более рационально, чем кольцевых каналов с гладкими трубами.


Abstract:
A modified seven-layer model of the turbulent boundary layer, allowing you to get more informed and accurate results as averaging calculation as the heat transfer in annular channels with turbulence on the inner tube, and the distribution of the average temperature difference on the sublayers in a wide range of determining parameters. Revealed fundamental differences in the distribution of the average integral temperature difference on all seven sublayers for the annular channels with turbulence on the inner tube of the respective channels to smooth pipes depending on both the geometry of the channel and on the Reynolds and Prandtl numbers: in annular channels with turbulence on the inner tube temperature distribution flow is always more efficient than the annular channel with smooth pipes.


Ключевые слова:
аналитический, температурный напор, течение, турбулентный, турбулизатор, кольцевой канал, модификация, семислойная модель

Keywords:
analytical, temperature difference, flow, turbulence, vortex generator, an annular channel, modification, seven-layer model


УДК 536.27

Теплообменники и теплообменные устройства в современном машиностроении часто имеют каналы некруглого поперечного сечения, например, плоские, кольцевые и т.п. Тепловой поток в вышеназванных каналах может быть передаваем не через всю поверхность омывания. Имеют место случаи, когда на различных поверхностях каналов тепловые потоки не равны: кольцевые каналы только с внутренним, или только с внешним обогревом; не равнопоточный двусторонний обогрев.

Интенсификация теплообмена реализуется с целью достижения компактности теплообменного аппарата. В кольцевом канале интенсифицировать теплообмен можно как с помощью развития поверхностей теплообмена, так и при применении интенсификации теплообмена турбулизацией потока [1; 2]; возможно комбинированное использование вышеуказанных методов.

Первый способ сопряжён со значительным повышением стоимости труб с развитой поверхностью по сравнению с гладкими трубами, и его эффективность может быть низкой для некоторых режимов и теплофизических характеристик теплообменного процесса. Данные устройства для интенсификации теплообмена имеют значительные по сравнению с несущей трубой размеры, что делает невозможным их применение в узких кольцевых каналах. Вышеуказанные устройства целесообразно применять при малых плотностях теплового потока, когда термическое сопротивление оребрения несущественно — с ростом тепловых потоков эффективность оребрения резко падает. Оребрение целесообразно применять только в том случае, когда коэффициент теплоотдачи снаружи трубы во много раз меньше коэффициента теплоотдачи внутри трубы. Такие устройства для интенсифицированного теплообмена неприменимы в относительно узких кольцевых каналах, поскольку имеют ощутимо увеличенные сравнительно с основной трубой размеры. Эти устройства следует применять для небольших плотностях теплового потока, поскольку термосопротивление рёбер невелико, но при больших тепловых потоках оребрение имеет низкую эффективность; они применяются также тогда, когда теплоотдача внутри трубы гораздо больше теплоотдачи снаружи трубы.

Оребрение имеет низкую эффективность при большой плотности теплового потока. Снижение эффективности оребрения имеет место, если используются материалы с низким значением коэффициента теплопроводности. Гладкие трубы гораздо технологичнее, чем оребрённые, что обусловливает более высокую стоимость последних по отношению к первым. Недостатки, присущие развитым поверхностям теплообмена, нивелируются, если использовать поверхностные турбулизаторы потока для кольцевых каналов [1; 2].

Применимость интенсификации теплообмена турбулизацией потока в кольцевых каналах обусловлена тем, что не увеличивает наружного диаметра труб. Технологически изготовление турбулизаторов на наружной поверхности труб относительно несложно. При увеличении числа Рейнольдса растёт и максимальная интенсификация теплообмена — в 2...2,5 раза при увеличении гидросопротивлении в 2,7...5 раз [1].

Cледовательно, в кольцевых каналах в целях интенсификации теплоотдачи при относительно небольшом возрастании гидросопротивления лучше всего применять поперечное оребрение. Исследовательская задача может быть охарактеризована следующим образом: следует сгенерировать теоретическую расчётную модель теплообмена и гидросопротивления с рассмотрением стратификации температурного напора относительно рассматриваемого способа интенсификации, т.е. когда на внутренней трубе устанавливаются турбулизаторы потока. На современном этапе вышеуказанный метод интенсификации теплообмена исследовался опытным путём для конкретных условий теплообмена.

Моделирование изотермического теплообмена при турбулентном течении в кольцевых каналах за счёт турбулизации потока производится по методике, аналогичной методике, применённой для круглых труб с турбулизаторами [3—5]. При моделировании теплообмена для кольцевого канала, интенсифицированного посредством периодически расположенных поверхностных турбулизаторов на внутренней трубе, будут справедливы все допущения, характерные для круглых труб с турбулизаторами, указанные в [3—5]. Течение в кольцевом канале при наличии поверхностных турбулизаторов рассматривается как стабилизированное турбулентное течение.

Турбулентный поток в кольцевом канале с турбулизаторами на внутренней трубе моделируется посредством семислойной схемы турбулентного пограничного слоя. Подслои, расположенные от внутренней трубы до линии максимальной скорости условно классифицируем как внутренние, а от внешней трубы — как внешние. Отличительной особенностью моделируемого течения в кольцевом канале с турбулизаторами на внутренней трубе от моделируемого течения в круглой трубе с турбулизаторами следует признать только в разнице определяющих параметров: скорость потока должна определяться по сечению канала, которое было бы при отсутствии турбулизаторов и эквивалентный диаметр.

В проведённом супермногослойном моделировании интенсифицированного теплообмена при турбулентном течении в кольцевом канале с турбулизаторами на внутренней трубе параметры для турбулентного ядра потока детерминировались, в основном, для получения приемлемых результатов расчёта осреднённого теплообмена в широком диапазоне определяющих параметров. Более точно можно детерминировать стратификацию внутреннего и внешнего турбулентных ядер потока следующим образом: внутреннее турбулентное ядро; внешнее турбулентное ядро.       Поскольку окончательные выражения для отношения турбулентной вязкости к молекулярной для внутреннего и внешнего турбулентных ядер равны, поскольку от перемены сомножителей сумма неизменна.

Окончательные соотношения для ядер будут более точными, но и гораздо более сложными и громоздкими. Сравнение базового и модифицированного решений показывает, что последнее предпочтительно использовать при расчёте теплообмена в кольцевых каналах с турбулизаторами на внутренней трубе, несмотря на их несколько бóльшую сложность. Вышесказанное особенно важно при расчёте стратификации температурного напора в турбулентном пограничном слое кольцевого канала с турбулизаторами, в то время как при расчёте осреднённого теплообмена это может сказаться незначительно.

Расчётные значения для осреднённого теплообмена для различных теплоносителей в кольцевом канале с турбулизаторами на внутренней трубе, полученные по семислойной модели потока, сравнивались с соответствующими экспериментальными данными различных авторов, наиболее полно представленными в [1; 2], в многочисленных публикациях [3; 4; 7—10], которые верифицируют и апробируют вышепредставленную теорию в широком диапазоне геометрических параметров канала и режимов течения теплоносителя. Количественные соотношения для осреднённого интенсифицированного теплообмена при турбулентном течении в кольцевых каналах с турбулизаторами, полученные по семислойной схеме турбулентного пограничного слоя были также довольно полно исследованы в работах [3; 4; 7—10]. Вышесказанное обусловливает, что расчётные данные хорошо согласуются c экспериментом практически для всего представленного диапазона шагов между турбулизаторами.

В дальнейшем диапазон сопоставления теории с экспериментом был значительно расширен: обширное сопоставление полученных по сгенерированной в исследовании супермногослойной теории расчётных данных по интенсифицированному теплообмену в кольцевых каналах с турбулизаторами с экспериментальными (несколько сотен значений) для широкого диапазона определяющих параметров, из которого видна вполне удовлетворительная корреляция между ними [10].

Интегральные решения об интенсифицированном теплообмене для кольцевых каналов с турбулизаторами на внутренней трубе [3; 9; 10] характеризуются средним температурным напором, поэтому может быть поставлена задача вкладов в него отдельных подслойных напоров для всех 7 подслоёв.

Анализ полученных результатов выявит, какие подслои следует интенсифицировать лучшим образом.

В данной работе показано распределение средних по 7 подслоям температурных напоров от общего среднего температурного напора в процентах для большого диапазона режима течения теплоносителя (критерии Рейнольдса и Прандтля) и геометрии турбулизаторов.

На данном этапе [3—5; 8; 9] данная проблема рассматривалась ограниченно для прямых круглых труб [10], причём анализировался не средний, а максимальный температурный напор, что является редукцией по отношению к расчётным данным, приведённым в настоящем исследовании. Таким образом, решение задачи о стратификации среднего температурного напора по подслоям в кольцевых каналах с турбулизаторами на внутренней трубе можно считать обоснованным и частично апробированным.

По полученным аналитическим решениям [3; 9; 10] с учётом модификации модели для турбулентного ядра были получены численные данные относительно распределения среднего температурного напора для каждого из подслоёв для кольцевого канала с турбулизаторами на внутренней трубе для большого набора параметров режима течения и геометрии канала, определяющих интен   сифицированный теплообмен (R1=0,33...0,79; Pr=0,72...10; Re=4880...514600; h/dЭ=0,001...0,183; t/dЭ=0,01...4,76(t/h=1,17...68,29)).

Закономерности распределения температурного напора в рассматриваемом кольцевом канале от геометрии канала и режима течения были получены на основе анализа полученных расчётных данных. Этот анализ для модифицированной семислойной модели потока будет сходен с анализом для базовой семислойной модели, но за исключением доли турбулентного ядра потока.

Из анализа представленных данных видно, что увеличение относительной высоты турбулизатора (h/dЭ) приводит к тому, что часть среднего температурного напора для вязкого внутреннего подслоя немного уменьшается; аналогичный вывод можно сделать о части внутреннего промежуточного подслоя; часть вихревого ядра во впадине явно увеличивается; часть суммарного турбулентного ядра немного снижается, а часть внутреннего турбулентного ядра немного повышается; последнее имеет место только до перехода турбулизатора через промежуточный подслой, после чего она понижается при повышении части вихревого ядра во впадине. Части внешнего вязкого подслоя и внешнего промежуточного подслоя всегда довольно небольшие. Таким образом, здесь при кольцевом канале с турбулизаторами на внутренней трубе имеет место переход температурного напора из турбулентного ядра в вихревое ядро во впадине, что видно, если сравнить данные при прочих равных условиях для аналогичных турбулизаторов с переменными относительными высотами h/dЭ­­­.

Кардинальное отличие функции части суммарного турбулентного ядра для кольцевого канала с турбулизаторами на внутренней трубе от относительной высоты турбулизаторов h/dЭ при прочих равных условиях от такой же функции для круглой трубы с турбулизаторами заключается в том, что при повышении относительной высоты турбулизатора часть турбулентного ядра в трубе повышается, а в кольцевом канале — снижается.

Повышение части температурного напора в кольце имеет место лишь для внутреннего турбулентного ядра, а часть общего турбулентного ядра снижается, что указывает на редукционное распределение температурного напора в кольцевом канале с турбулизаторами на внутренней трубе по отношению к круглой трубы с турбулизаторами.

При увеличении числа Рейнольдса Re для кольцевого канала с турбулизаторами на внутренней трубе происходит заметное уменьшение части вязкого подслоя, часть промежуточного подслоя увеличивается вплоть до перехода высоты турбулизатора через буферный подслой, после чего она снижается.

Максимальное рассмотренное число Рейнольдса обусловливает, что часть вязкого подслоя уменьшается почти на третью часть, часть буферного подслоя увеличивается на одну десятую часть, часть вихревого ядра во впадине превышает 15%, часть общего турбулентного ядра увеличивается около двух раз; части вязкого и буферного подслоёв и так малые на меньших числах Рейнольдса, на максимальных числах Рейнольдса ещё более уменьшаются.

Cнижение числа Рейнольдса приводит к тому, что большая часть температурного напора при течении воздуха срабатывается в буферном подслое, а при повышении числа Рейнольдса имеет место переход температурного напора в вихревое ядро во впадине, что делает распределение температурного напора более равномерным. В кольцевых каналах с гладкими стенками распределение температурного напора менее равномерно, причём повышение критерия Рейнольдса не приводит к увеличению равномерности. Вышесказанное говорит о кардинальной разнице между распределениями температурных напоров по подслоям для кольцевых каналов с гладкими стенками по отношению к кольцевым каналам с выступами на внутренней трубе.

Следовательно, распределение температурного напора для кольцевых гладкотрубных каналов менее рационально, чем для кольцевых каналов с турбулизаторами на врутренней трубе.

Далее следует проанализировать функциональную зависимость распределения температурного напора по подслоям для в кольцевых каналах с турбулизаторми на внутренней трубе при прочих равных условиях от относительного шага между турбулизаторами.

Как правило, при увеличении относительного шага между турбулизаторами t/dЭ имеет место снижение части вязкого и буферного подслоёв и увеличении части вихревого ядра во впадине и турбулентного ядра. Увеличение относительного шага в 5 раз приводит к уменьшению части вязкого и буферного подслоёв почти на 1% при одновременным повышением части вихревого ядра во впадине, при её наличии, а также турбулентного ядра почти на 1%.

В круглой трубе с турбулизаторами расхождение стратификации ощутимо зависит и от числа Рейнольдса, и от относительной высоты турбулизаторов [10], в то время как для кольцевых каналов с турбулизаторами эта зависимость не столь ощутима.

Следовательно, стратификация среднего температурного напора для кольцевых каналов с турбулизаторами на внутренней трубе мало зависит от относительного шага между турбулизаторами t/dЭ, но влияние последнего на средний теплообмен в этом канале может быть значительным [3; 9; 10]. Аналогичным образом был доказан тот же самый вывод для прямых круглых труб с турбулизаторами [3; 4; 9; 10].

Можно сделать вывод, что зависимость стратификации среднего температурного напора для кольцевых каналов с турбулизаторами на внутренней трубе от относительной высоты турбулизатора h/dЭ менее заметна, чем от относительного шага между турбулизаторами t/dЭ; тот же самый вывод был сделан и для прямых круглых труб с турбулизаторами [3; 4; 9; 10].

Теперь следует проанализировать влияние числа Прандтля на стратификацию среднеинтегрального температурного напора для кольцевых каналов с выступами на внутренней трубе, поскольку анализ влияния на эту стратификацию геометрических факторов — относительных высот выступов h/dЭ, относительных шагов между турбулизаторами t/dЭ — был сделан только для воздушного теплоносителя.

В статье необходимо ограничиться данными по распределению среднего температурного напора в кольцевом канале с турбулизаторами на внутренней трубе при разных относительных высотах выступов и относительных шагов между выступами при одинаковых числах Рейнольдса, но для переменных числах Прандтля, т.к. для других чисел Рейнольдса выводы будут аналогичными; такие же выводы имели место и для прямых круглых труб с турбулизаторами [10].

Результаты расчётов показали, что для капельных жидкостей (например, воды) большая доля температурного напора срабатывается в вязком подслое, но для газообразного теплоносителя он срабатывается в буферном подслое. Распределение температурного напора по подслоям в кольцевых каналах с выступами на внутренней трубе для теплоносителей в виде капельных жидкостей зависит от геометрических характеристик канала и от режима течения теплоносителя относительно незначительно, ощутимо меньше, чем для теплоносителя в виде газа.

Для теплоносителей в виде капельных жидкостей, так же, как и для газовых теплоносителей, стратификация температурного напора по подслоям, при прочих равных условиях, менее оптимальна для кольцевых каналов с гладкими поверхностями, чем для кольцевых каналов с выступами на внутренней трубе.

Результаты расчётов указывают на то, что на стратификацию среднего температурного напора по подслоям для кольцевых каналов с турбулизаторами на внутренней трубе число Прандтля оказывает влияние, при прочих равных условиях, следующим образом: при относительно небольших выступах (менее промежуточного подслоя) часть вязкого подслоя повышается примерно на 3,5% с увеличением на единицу критерия Прандтля; часть буферного подслоя уменьшается на 3,25%, а часть турбулентного ядра потока уменьшается примерно на 0,3%. В случае, когда выступы больше буферного подслоя, т.е. имеет место турбулентное ядро во впадине, увеличение критерия Прандтля на одну единицу приводит к повышению части вязкого подслоя более чем на 3,5%, уменьшению части буферного подслоя менее чем на 2,5%, уменьшению части вихревого ядра во впадине на 0,6%, уменьшению турбулентного ядра потока на 0,33%.

Следовательно, стратификация температурного напора по подслоям для кольцевого канала с турбулизаторами на внутренней трубе является достаточно консервативной.

Cтратификация температурного напора по подслоям в кольцевом канале с выступами на внутренней трубе зависит от характеристических параметров более существенно, чем в кольцевом канале с гладкими поверхностями.

Стратификация температурного напора в кольцевом канале с выступами на внутренней трубе по сравнению с прямой круглой трубой с выступами зависит от критерия Прандтля следующим образом: для труб оно ниже примерно на одну десятую часть, на часть турбулентного ядра во впадине влияние ещё меньше. Последнее указывает на большую рациональность распределения температурного напора в трубах с турбулизаторами по сравнению с кольцевыми каналами с турбулизаторами на внутренней трубе.

Таким образом, на стратификацию среднего температурного напора по подслоям в кольцевом канале с турбулизаторами на внутренней трубе критерий Прандтля влияет достаточно сильно, что можно сказать относительно гладкотрубных кольцевых каналов.

Специфическим фактором для кольцевого канала с турбулизаторами на внутренней трубе, который оказывает влияние на стратификацию среднего температурного напора, следует считать безразмерный радиус или диаметр кольца R1=r1/r2=d1/d2, поскольку его нет ни у плоских каналов, ни у круглых труб. Иначе говоря, ставится задача влияния на стратификацию температурного напора специфической формы кольцевого канала, т.е. узкий (R1 мало) он или широкий (R1 велико). Для круглых труб — R1=1, а для плоских каналов — R1=0.

Имеет место повышение части среднеинтегрального температурного напора вязкого и буферного подслоёв при ощутимом уменьшении части турбулентного ядра во впадине и, в меньшей степени, снижении части турбулентного ядра потока при увеличении безразмерного радиуса кольцевого канала R1: к примеру, с переходом в кольцевых каналов с выступами на внутренней трубе, при прочих равных условиях, с R1=1/3 на с R1=1/2 происходит повышение части вязкого подслоя вплоть до 1,5%, промежуточного подслоя вплоть до 3,5% с одновременным уменьшением части вихревого ядра во впадине вплоть до 2-х раз, уменьшением части турбулентного ядра практически до 1/3.

Представленный анализ говорит о менее рациональном распределении среднеинтегрального температурного напора по подслоям для более узких каналов по отношению к более широким, при прочих равных условиях, поскольку большая доля температурного напора срабатывается подслоях в ближних от стенки канала.

Кроме того, анализ сопоставления расчёта по базовой и модифицированной семислойным моделям турбулентного пограничного слоя показывает, что влияние расчёта турбулентного ядра потока по модифицированной модели на доли температурного напора других подслоёв относительно невелика: на долю вязкого подслоя и буферного подслоя данное влияние лежит в пределах уменьшения (0,25...0,50)% для средних значений R1 и в пределах (0,50...0,75)% — для малых и больших значений R1; на долю вихревого ядра во впадине это влияние незначительно.

Расчёт по модифицированной семислойной схеме турбулентного пограничного слоя доли температурного напора турбулентного ядра потока (суммарного) кольцевого канала с турбулизаторами на внутренней трубе составляет для воздуха (2...3,5)% для умеренных значений R1 (меньшие значения соответствуют меньшим числам Рейнольдса — и наоборот); (4...5,5)% — для больших значений R1; (0,8...2,2)% — для малых значений R1. Для воды соответствующие значения составляют (0,3...0,4)% для средних значений R1; (0,3...0,4)% и  (0,1...0,2)% — для малых.

Применение модифицированной семислойной модели турбулентного пограничного слоя приводит к расхождению расчётной доли турбулентного ядра потока в общем среднеинтегральном температурном напоре для воздуха. При увеличении относительной высоты турбулизатора h/dЭ происходит, при прочих равных условиях, снижение положительного расхождения между расчётами по базовой и модифицированной моделям; увеличение относительного шага между турбулизаторами t/dЭ приводит, при прочих равных условиях, к увеличению отрицательного вышеупомянутого расхождения; повышение числа Рейнольдса Re приводит, при прочих равных условиях, к увеличению положительного вышеупомянутого расхождения (снижению отрицательного расхождения). Для воды разница между расчётами по базовой и модифицированной моделям при детерминировании доли турбулентного ядра потока в общем среднеинтегральном температурном напоре может достигать порядка двух с половиной раз, т.е. оно может быть довольно значительной.

Вышеприведённый анализ позволяют заключить, что расчётные данные по доле в температурном напоре турбулентного ядра потока, полученные по базовой и модифицированной семислойной моделям турбулентного пограничного слоя, расходятся по абсолютным значениям не слишком ощутимо, в то время как соответствующие относительные расхождения могут быть и значительными.

Расхождение в расчёте доли в температурном напоре турбулентного ядра потока по базовой и модифицированной моделям потока приводит, естественно, к расхождению в расчётах осреднённого теплообмена при турбулентном течении в кольцевых каналах с турбулизаторами на внутренней трубе. Для воздуха данное расхождение может приводить к максимальному расхождению при определении числа Нуссельта порядка (+1,3...­­­­–2,5)%. Для воды эта максимальная разница при расчёте осреднённого числа Нуссельта ещё меньше и составляет +0,3%.

Следовательно, расхождение при расчёте осреднённого числа Нуссельта по модифицированной и базовой семислойной моделям турбулентного пограничного слоя относительно невелико, в то время как расхождение в доле в среднеинтегральном температурном напоре турбулентного ядра потока может быть ощутимым. Последнее обстоятельство указывает на то, что применение базовой модели при расчёте осреднённого теплообмена можно считать вполне обоснованно оправданным, т.к. наибольшее расхождение между расчётными значениями в среднем температурном напоре части турбулентного ядра потока при применении базовой и модифицированной моделям имеет место тогда, когда оно меньше всего влияет на осреднённой теплообмен (напр., для теплоносителей в виде капельных жидкостей), а когда это влияние заметно, то и расхождение относительно невелико (напр., для газообразных теплоносителей).

Применение модифицированной семислойной модели можно считать оправданным, поскольку она позволяет получить более точные и обоснованные результаты расчёта не только осреднённого теплообмена, но и распределения среднего температурного напора по подслоям в широком диапазоне определяющих параметров, не сильно увеличив громоздкость аналитических решений относительно турбулентного ядра.

Следовательно, представленные статье расчётные и аналитические данные по среднеинтегральному температурному напору по подслоям для кольцевого канала с выступами на внутренней трубе для большого набора геометрических параметров канала и режима течения теплоносителей, позволили выяснить диапазоны, где интенсифиция наиболее рациональна.

Разработанная модифицированная семислойная модель турбулентного пограничного слоя, позволила получить более обоснованные и точные результаты расчёта как осреднённого теплообмена в кольцевых каналах с турбулизаторами на внутренней трубе, так и распределения среднего температурного напора по подслоям в широком диапазоне определяющих параметров. Выявлено кардинальное различие в распределении среднеинтегрального температурного напора по всем семи подслоям для кольцевых каналов с турбулизаторами на внутренней трубе соответствующих каналов с гладкими трубами в зависимости как от геометрии канала, так и от чисел Рейнольдса и Прандтля: в кольцевых каналах с турбулизаторами на внутренней трубе распределение температуры по потоку всегда более рационально, чем кольцевых каналов с гладкими трубами. 

ВЫВОДЫ 

1. Разработанная модифицированная математическая модель позволяет детерминировать стратификацию среднего температурного напора по подслоям в кольцевых каналах с турбулизаторами на внутренней трубе.

2. Полученные расчётные значения стратификации среднего температурного напора по подслоям в кольцевых каналах с турбулизаторами на внутренней трубе выявили законы её изменения от режима течения теплоносителей (критерии Прандтля, Рейнольдса) и геометрии кольцевого канала (относительных диаметров канала).

3. Статификация температурного напора по подслоям для кольцевых каналов с выступами на внутренней трубе зависит от числа Рейнольдса следующим образом: повышение числа Рейнольдса снижает часть вязкого подслоя, часть промежуточного подслоя сначала увеличивается, вплоть до выхода выступа из промежуточного подслоя, а затем она неуклонно снижается, что приводит к "перепуску" температурного напора в подслои, более высокие от поверхностей.

4. Повышение относительной высоты турбулизатора в кольцевом канале с выступами на внутренней трубе приводит к тому, что часть турбулентного ядра для кольцевого канала немного уменьшается, но в круглой трубе увеличивается; поэтому распределение температурного напора по подслоям для круглой трубе с выступами рациональнее, чем для кольцевого канала с выступами на внутренней трубе.

5. Относительный шаг между турбулизаторами оказывает довольно небольшое влияние на распределение среднего температурного напора по подслоям в кольцевом канале с выступами на внутренней трубе, несмотря на то, что влияние на средний теплообмен существенно. В отличие от прямых круглых труб с выступами, для кольцевого канала влияние относительного шага довольно консервативно.

6. На стратификацию среднего температурного напора по подслоям в кольцевых каналах с выступами на внутренней трубе относительный шаг между выступами влияет меньше, чем относительная высота выступов.

7. На стратификацию среднего температурного напора по подслоям в кольцевых каналах с выступами на внутренней трубе число Прандтля влияет достаточно существенно, как и для кольцевого канала с гладкими поверхностями, однако, оно определённо меньшее; поэтому стратификация для кольцевого канала с турбулизаторами более рациональна, чем для гладкотрубного кольцевого канала.

8.Поверхностные поперечно расположенные турбулизаторы потока, расположенные на внутренних трубах кольцевых каналов, в общем, влияют на стратификацию среднего температурного напора по подслоям кольцевого канала таким образом, что температурный напор "перепускается" к более удалённым от стенок подслоям от менее удалённых от стенок.

9. Зависимость части общего турбулентного ядра потока для кольцевого канала с выступами на внутренней трубе от относительной высоты выступа, при прочих равных условиях, отличается от такой же для круглой трубы с выступами тем, что, если увеличивается относительная высота выступа, то часть турбулентного ядра в кольцевом канале снижается, а в круглой трубе — увеличивается.

10. Разработанную в работе модифицированную семислойную модель турбулентного пограничного слоя необходимо применять в дальнейших расчётах, т.к. она позволяет получить более обоснованные и точные результаты расчёта как осреднённого теплообмена в кольцевых каналах с турбулизаторами на внутренней трубе, но и распределения среднего температурного напора по подслоям в широком диапазоне определяющих параметров.

11. Наиболее рациональная стратификация среднеинтегрального температурного напора по подслоям в кольцевых каналах с выступами на внутренней трубе, при прочих равных условиях, имеет место для более расширенных кольцевых каналов, чем для зауженных кольцевых каналов, т.к. наибольший температурный напор в последних срабатывается дальше от стенок канала.

12. Заключительный вывод состоит в том, что выявлено коренное расхождение в стратификации среднего температурного напора по 7 подслоям для кольцевого канала с выступами на внутренней трубе от аналогичных каналов с гладкими стенками в зависимости от определяющих факторов — от геометрических характеристик канала, режимов течения теплоносителя: в кольцевом канале с гладкими трубами стратификация температурного напора по подслоям во всех случаях менее оптимальна, чем для кольцевого канала с выступами на внутренней трубе.

Библиографический список:

1. Калинин Э.К., Дрейцер Г.А., Ярхо С.А. Интенсификация теплообмена в каналах. — М.: Машиностроение, 1972. — 220 с.
2. Эффективные поверхности теплообмена / Э.К.Калинин, Г.А.Дрейцер, И.З.Копп и др. — М.: Энергоатомиздат, 1998. — 408 с.
3. Лобанов И.Е. Математическое моделирование интенсифицированного теплообмена при турбулентном течении в каналах: Диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук: 01.04.14. — М., 2005. — 632 с.
4. Лобанов И.Е. Моделирование теплообмена и сопротивления при турбулентном течении в каналах теплоносителей в условиях интенсификации теплообмена // Труды Третьей Российской национальной конференции по теплообмену. В 8 тт. Т.6. Интенсификация теплообмена. Радиационный и сложный теплообмен. — М., 2002. — С. 140—143.
5. Дрейцер Г.А., Лобанов И.Е. Моделирование изотермического теплообмена при турбулентном течении в каналах в условиях интенсификации теплообмена // Теплоэнергетика. — 2003. — № 1. — С. 54—60.
6. Петухов Б.С., Генин Л.Г., Ковалёв С.А. Теплообмен в ядерных энергетических установках. — М.: Энергоатомиздат, 1986. — 470 с.
7. Дрейцер Г.А., Лобанов И.Е. Моделирование теплообмена в кольцевых каналах с турбулизаторами с помощью семислойной модели турбулентного пограничного слоя // Доклады Академии Наук. — 2005. — Т.402, № 2. — С. 184—188.
8. Лобанов И.Е. Моделирование теплообмена в кольцевых каналах с турбулизаторами с помощью семислойной модели турбулентного пограничного слоя // Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках: Труды XV Школы-семинара молодых учёных и специалистов под руководством академика РАН А.И.Леонтьева. — М.: МЭИ, 2005. — T.1. — С. 103—106.
9.Лобанов И.Е., Штейн Л.М. Перспективные теплообменные аппараты с интенсифицированным теплообменом для металлургического производства. (Общая теория интенсифицированного теплообмена для теплообменных аппаратов, применяемых в современном металлургическом производстве.) В 4-х тт. Том III. Математическое моделирование интенсифицированного теплообмена при турбулентном течении в каналах с применением многослойных, супермногослойных и компаундных моделей турбулентного пограничного слоя. — М.: МГАКХиС, 2010. — 288 с.
10. Лобанов И.Е., Парамонов Н.В. Математическое моделирование интенсифицированного теплообмена при течении в каналах на основе сложных моделей турбулентного пограничного слоя. — М.: Издательство МАИ, 2011. — 160 с.




Комментарии пользователей:

Оставить комментарий


 
 

Вверх