Пространственно-временная структура потока в каналах с элементами дискретной шероховатости на ламинарном и переходном режимах течения

• Автор: Паерелий, Антон Александрович
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Казань
• Количество страниц: 124 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение
Глава 1. Проблема описания структуры ламинарных
отрывных течений
Глава 2. Экспериментальное оборудование и методика
исследований
2.1. Экспериментальная установка
2.2. Рабочий участок, объекты исследования и условия проведения экспериментов
2.3. Методика проведения исследований и средства измерения
Глава 3. Визуализация течения в канале с единичным
препятствием и системой препятствий
3.1. Обтекание единичного препятствия
3.2. Обтекание системы двух препятствий
Глава 4. Термоанемометрические измерения параметров
течения за выступом и системой из двух выступов
4.1. Параметры течения в канале за единичным выступом
4.2. Параметры течения в канале за системой из двух выступов
Глава 5. Структура потока за выступом в канале на основе
Р1У-измерений мгновенных полей скорости
Заключение
Литература

ВВЕДЕНИЕ
В последние годы наблюдается существенный рост тепловой нагрузки на элементы энергетического оборудования и аппаратуры различного назначения. Кроме того, наметилась тенденция к снижению габаритов теплообменных аппаратов и появилась потребность в компактных и ультракомпактных теплообменниках для охлаждения элементов
электроники, радарных устройств, лопаток турбин и т.д. Одновременно становятся более жесткими требования к обеспечению температурного режима работы соответствующих агрегатов и устройств. В этих условиях особенно важными становятся вопросы интенсификации теплообмена, в том числе в каналах малого гидравлического диаметра, в которых чаще всего реализуется ламинарный и (или) переходный режимы течения
теплоносителя. Именно на этих режимах использование интенсификаторов теплообмена наиболее эффективно (А.И.Леонтьев, Ю.Ф.Гортышов,
В.В.Олимпиев, И.А.Попов, Р.М.1л§гаш, В.И.Терехов, Х.Б’У/ей и др.). Наибольший прирост теплоотдачи по отношению к увеличению затрат энергии на прокачку при номинально ламинарном течении теплоносителя получен для каналов с элементами дискретной шероховатости в виде поперечных выступов. Данные об интенсификации теплообмена в таких каналах основаны, главным образом, на изучении их интегральных характеристик. Детальных исследований пространственно временной структуры течения в каналах с элементами дискретной шероховатости явно недостаточно.
Обтекание элементов дискретной шероховатости, сопровождается, как правило, отрывом потока, который при некотором сочетании режимных параметров может инициировать более ранний переход к турбулентному режиму течения в канале. Именно с турбулизацией потока многие исследователи связывают существенную интенсификацию теплообмена в дискретно-шероховатых каналах. Изучению проблемы ламинарнотурбулентного перехода в отрывных течениях посвящено значительное количество исследований (А.В.Довгаль, В.В.Козлов, Б.Ю.Занин,
А.М.Сорокин, А.В.Бойко, В.Б.Агша1у, С.Р.Надцтагк и др.), однако многое на сегодняшний день остается невыясненным. В литературе практически отсутствуют данные о влиянии формы, размеров и взаимного положения
элементов дискретной шероховатости на положение границ ламинарно-турбулентного перехода, о характеристиках потока в переходной области, последствиях переходных процессов с позиций эффективности теплообмена. Неясно, при каких условиях происходит ламинарно-турбулентный переход в пределах отрывной области, а при каких — ниже точки присоединения потока, и какое влияние оказывают эти явления на основную область течения в интенсифицированных каналах. Крайне мало результатов исследований динамики поведения областей отрыва потока за интенсификаторами теплообмена различной формы на ламинарном и переходном режимах течения, практически отсутствуют результаты визуализации потока в этих условиях. Нет данных о критических значениях параметров подобия, при которых элементы дискретной шероховатости инициируют неустойчивость ламинарного течения и переход к турбулентному режиму.
Таким образом, экспериментальное изучение пространственно-временной структуры потока, систематизация полученной информации и выявление физических механизмов, приводящих к интенсификации теплообмена в каналах с элементами дискретной шероховатости на номинально ламинарном режиме течения, является на сегодняшний день весьма актуальной задачей.
Несмотря на очевидный прогресс в развитии методов моделирования сложных течений, наиболее плодотворным является комплексный подход к решению этой задачи, включающий визуализацию потока в сочетании с комбинированными количественными измерениями на основе современных методов и средств диагностики.
Цель работы - развитие научных представлений о гидродинамических процессах в каналах с элементами дискретной шероховатости на ламинарном и переходном режимах течения на основе детального экспериментального исследования пространственно-временной структуры потока.
Научная новизна.
1. Создана оригинальная экспериментальная установка, позволяющая выполнять комплексные исследования структуры потока в каналах с элементами дискретной шероховатости при номинально ламинарном режиме течения в широком диапазоне чисел Рейнольдса.
2. На основе экспериментальных исследований, включающих визуализацию течения, тсрмоанемометрические измерения параметров

2 3 4 5/6
х/н Присоединение

Присоединение

Рис. 1.17. Две последовательные диаграммы линий тока, иллюстрирующие внезапное уменьшение длины присоединения, (а) г+=0.0 (Ь) /+=1.85 [61]
Нестационарные эффекты, связанные, по всей видимости, с процессами ламинарно-турбулентного перехода, наблюдаются и при обтекании выемок (каверн). Так, в работе [38] была выполнена визуализация обтекания выемки, управляемой люком, с геометрическими размерами в соотношении 3:1 при низких числах Рейнольдса, изменяющихся в диапазоне 100...2000 и рассчитанных по боковому размеру выемки. Было установлено, что при низких числах Рейнольдса (из исследуемого диапазона) существует всего одна устойчивая структура, в то время как с увеличением числа Рейнольдса эта структура становится неустойчивой и «конкурирует» как минимум с тремя другими вторичными стационарными модами, обладающими уникальным и качественно отличным характером течения. При числе Рейнольдса, приблизительно равном 825, стационарные состояния становятся неустойчивыми, что приводит к развитию периодического по времени течения с периодом около 3 с, которое дестабилизируется при числе Рейнольдса около 1000.
Раманам и Хомси [60] численно исследовали устойчивость управляемого обтекания выемки при числах Рейнольдса в диапазоне 10...800 с помощью анализа линейной устойчивости. Результаты их