Градиентная теплометрия в комплексном исследовании течения и теплообмена на поверхности гладкого и оребренного цилиндра тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.14, доктор наук Гусаков Андрей Александрович

• Гусаков Андрей Александрович
• доктор наук
• 2021

Оглавление диссертации доктор наук Гусаков Андрей Александрович

ВВЕДЕНИЕ

1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Задачи и методология исследования

1.2 Обтекание гладкого цилиндра

1.3 Обтекание цилиндра с ребрами

1.4 PIV технология и градиентная теплометрия

1.5 Заключение

2 ТЕХНОЛОГИЯ, ТЕХНИКА И МЕТРОЛОГИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

2.1 Модели

2.2 Условия и технология опытов

2.3 Экспериментальные стенды

2.4 Регистрация и обработка сигналов

2.5 Представление результатов и метрология экспериментов

2.6 Заключение

3 ОБТЕКАНИЕ ГЛАДКОГО ЦИЛИНДРА

3.1 Модели и карта режимов

3.2 Исследование теплообмена при обтекании нагретого цилиндра

3.3 Цилиндр со стержнями-турбулизаторами

3.4 Заключение

4 ОБТЕКАНИЕ ЦИЛИНДРА С КОЛЬЦЕВЫМИ РЕБРАМИ

4.1 Модели, задачи и условия опытов

4.2 Обтекание одиночного ребра

4.3 Эффективность кольцевого ребра

4.4 Обтекание оребренной трубы

4.5 Заключение

5 ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

5.1 Достоинства и недостатки методики

5.2 Набор составляющих

5.3 Изотермические модели

5.4 Перспективы развития

5.5 Заключение

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Градиентная теплометрия в комплексном исследовании течения и теплообмена на поверхности гладкого и оребренного цилиндра»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. В основе изготовления и совершенствования теплообменников лежат исследования, связанные с течением теплоносителя и теплообменом на поверхностях аппаратов. Эти неразрывно связанные процессы необходимо визуализировать и оценивать количественно и качественно - совместно и в реальном времени. Однако до сих пор такому подходу препятствовал недостаточный уровень и узкая номенклатура первичных преобразователей (в основном, датчиков теплового потока). Эта часть арсенала исследователей существенно отставала от бурно развивающихся цифровых технологий, используемых для обработки аналоговых сигналов. К проблемам, обусловленным описанными ограничениями, относятся скудность сведений о местных коэффициентах теплоотдачи (КТО), неправомерное усреднение КТО по поверхности теплообмена, некорректная оценка эффективности ребер и т.п.

Настоящее исследование имеет, в первую очередь, методическую направленность. Оно развивает комплексный подход к исследованию течения и теплообмена, ключевыми технологиями которого служит градиентная теплометрия, термометрия и PIV (Particle Image Velocimetry) диагностика. Основные преимущества нового подхода связаны с использованием градиентных датчиков теплового потока (ГДТП) с постоянной времени 10"8 с.

Выбранные модели - гладкий круговой цилиндр и цилиндр с кольцевым оребрением - удобны для тестирования новых технологий и одновременно достаточно типичны в конструкциях теплообменников различного назначения. Помимо проверки адекватности и информативности, важно установить закономерности, имеющие теоретическое и прикладное значение.

Степень разработанности темы. Цилиндры, гладкие и оребренные, применяются в теплообменниках давно и успешно; весьма велико и количество работ, посвященных течению и теплообмену при поперечном и косом обтекании их поверхностей. К числу наиболее типичных исследований, характеризующих

различные этапы развития экспериментальной техники, следует отнести работы М. В. Кирпичева, А. А. Гухмана, А. А. Жукаускаса, Э. Ахенбаха, Э. Спэрроу и Я. Морено, Е. Н. Письменного, Х. Накамура и Г. Игараши и мн. др.

Отметим, что прямое измерение плотности теплового потока стало возможным только с появлением градиентной теплометрии, методика и элементная база которой развивается в Санкт-Петербургском политехническом университете с 1996 г. Работ комплексных, исследующих теплообмен в неразрывной связи с течением теплоносителя, до появления ГДТП практически не было.

Цели и задачи работы. Целью диссертации является разработка, тестирование и использование для получения новых результатов комплексной методики исследования течения и теплообмена на поверхности гладких цилиндров и цилиндров с кольцевым оребрением. Методика сочетает идеи и возможности градиентной теплометрии, термометрии и Р1У диагностики течений, позволяя вести единый эксперимент в реальном времени.

К основным задачам исследования относятся:

- разработка и создание моделей цилиндров с изотермической и неизотермической оребренной поверхностью теплообмена, позволяющих реализовать предлагаемый подход;

- разработка и создание модели цилиндра с полым изотермическим ребром, моделирующим «идеальное» ребро в физическом эксперименте;

- исследование течения и теплообмена у поверхности моделей в реальном времени, оценка распределения местной плотности теплового потока, местных КТО, структурных элементов течения и других характеристик;

- исследование течения и теплообмена на поверхности цилиндра со стержнями-турбулизаторами, совершенствование такой системы в ходе эксперимента;

- экспериментальное определение эффективности кольцевых ребер на основе результатов, полученных на полом изотермическом ребре;

- оценка применимости предлагаемой методики с учетом метрологического уровня экспериментов, возможностей инвазивной и неинвазивной термометрии, Р1У визуализации течений и их сочетания с методом градиентной теплометрии.

Научная новизна исследования заключается в следующем:

- впервые комплексно, с целью изучения теплообмена на поверхности тел для различных гидродинамических режимов течения в реальном времени исследовано: нормальное и косое обтекание гладкого кругового цилиндра; нормальное и косое обтекание кругового цилиндра с интенсификаторами в виде струн и стержней; нормальное и косое обтекание кругового цилиндра с одиночным кольцевым «идеальным» изотермическим ребром и неизотермическим ребром из титана с «плохой» теплопроводностью; нормальное и косое обтекание оребренных труб с различной высотой кольцевого «идеального» изотермического ребра и неизотермического ребра из титана с «плохой» теплопроводностью при разным шагах оребрения;

- получены новые данные о влиянии стержней-турбулизаторов, расположенных на поверхности цилиндра и с зазором между стержнями и поверхностью, на эффективность теплообмена;

- впервые создана и использована обогреваемая паром модель полого кольцевого ребра, имитирующая в экспериментах «идеальное» изотермическое ребро, позволившая получить приоритетные результаты, тестировать аналитические решения и данные численного моделирования;

- реализована термометрия с помощью полуисскуственных термопар, позволяющая исследовать теплообмен в зонах недоступных для тепловизионной термометрии, и обеспечившая оценку местных КТО на боковой поверхности кольцевых ребер в межреберном пространстве;

- дана экспериментальная оценка эффективности кольцевого ребра, основанная на исследовании теплообмена на поверхностях сплошного и полого ребер одинаковой формы и размеров;

- получены уравнения подобия для теплообмена на поверхности оребренного цилиндра при косом его обтекании;

- подтверждена адекватность и информативность нового подхода к исследованию течения и теплообмена на изотермических и неизотермических поверхностях.

Теоретическая и практическая значимость работы. Получило воплощение сугубо теоретическое представление о бесконечно теплопроводном «идеальном» ребре. Данные, полученные при исследовании полого ребра, обогреваемого насыщенным водяным паром, удалось сопоставить с результатами аналитических решений, основанных на усреднении КТО по поверхности реального ребра.

Получена возможность исследовать течение и теплообмен на поверхностях моделей, часть которых поддерживается при постоянной температуре, а часть имеет неоднородное поле температуры.

Реализация нового подхода позволяет исследовать течение и теплообмен на поверхностях теплообменников различной формы, размеров и при различных гидродинамических условиях обтекания. При этом более обоснованно задается местная плотность теплового потока и местный КТО, что уточняет расчетные рекомендации и может снизить энерго- и материалоемкость теплообменников.

Методология исследования. Комплексная методика, лежащая в основе диссертации, сочетает хорошо развитые Р^ технологии и тепловизионную диагностику с оригинальной инвазивной термометрией на основе полуисскуственных термопар и уникальной градиентной теплометрией. Именно градиентная теплометрия позволила получить основные результаты работы - в первую очередь, связанные с определением местной плотности теплового потока и местного КТО при исследовании всех предложенных моделей. Полученные результаты сопоставлены с данными литературы. Установлено

удовлетворительное соответствие с общепризнанными данными других исследователей, а также получен ряд приоритетных результатов.

На защиту выносятся:

- методический подход, сочетающий градиентную теплометрию, инвазивную и неинвазивную термометрию с Р1У технологией при исследовании течения и теплообмена на поверхности гладких цилиндров, цилиндров со стержнями-турбулизаторами и цилиндров с кольцевыми ребрами;

- модели, оснастка и аппаратура для исследования теплообмена в режиме реального времени;

- новые результаты, полученные при нормальном и косом обтекании гладких цилиндров и цилиндров со стержнями-турбулизаторами;

- модель полого изотермического ребра, имитирующего в экспериментах «идеальное» ребро;

- результаты, полученные при нормальном и косом обтекании цилиндров с одинаковыми кольцевыми ребрами и цилиндров с кольцевым оребрением в различных геометрических и режимных условиях;

- результаты экспериментальной оценки эффективности кольцевых ребер при нормальном и косом обтекании;

- уравнения подобия для расчета КТО при нормальном и косом обтекании оребренного цилиндра в диапазоне чисел Рейнольдса (0,4.. .5,0) • 104.

Достоверность результатов работы определяется:

- использованием Р1У визуализации полей скорости, термометрии и градиентной теплометрии как технологий, получивших признание специалистов и успешно применяемых в экспериментах различного уровня и содержания;

- применением современных и аттестованных средств преобразования, обработки и архивирования данных;

- оценкой неопределенностей, с которыми экспериментально определены и рассчитаны основные величины, в соответствии с действующими российскими и международными стандартами;

- удовлетворительным согласованием результатов, полученных в тестовых экспериментах, с апробированными работами отечественных и зарубежных исследователей;

- получением уравнений подобия, коэффициенты и показатели степени которых близки к используемым в современных литературных источниках.

Материалы диссертации неоднократно докладывались и обсуждались на

следующих совещаниях, семинарах и конференциях:

- конференции «Applied Mechanics and Materials, Switzerland, 2014;

- международной научно-практической конференции «Творческое наследие В. Е. Грум-Гржимайло: история, современное состояние, будущее» Екатеринбург, 27 - 29 марта 2014;

- IX Школе-семинаре молодых ученых и специалистов академика В. Е. Алемасова «Проблемы теплообмена и гидродинамики в энергомашиностроении», Казань, 10 - 12 сентября 2014;

- VI Российской национальной конференции по теплообмену, Москва, 27 -31 октября 2014;

- российской конференции «XXXI Сибирский теплофизический семинар», Новосибирск, 17 - 19 ноября 2014;

- XXI Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика А. И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках», 22 - 26 мая 2017, СПб;

- международной конференции «Современные проблемы теплофизики и энергетики» СПТЭ-2017 в НИУ «МЭИ», Москва, 9 - 11 октября 2017;

- конференции «16th International Heat Transfer Conference» China National Convention Center, Beijing, China, August 10 - 15, 2018;

- 7-й российской национальной конференции по теплообмену (РНКТ-7), Москва, 22 - 26 октября 2018;

- XXII Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика А. И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках», Москва, 20 - 24 мая 2019;

- на заседаниях и семинарах кафедры «Теплофизика энергетических установок» и научно-образовательного центра «Теплофизика в энергетике» Санкт-Петербургского политехнического университета (2015 - 2020).

Основные результаты диссертации опубликованы в 36 печатных работах, из них 6 изданий входят в перечень ВАК, а 12 изданий имеют индекс Scopus/Web of Science.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Она включает 165 страниц основного текста, 118 рисунков и 13 таблиц.

1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Задачи и методология исследования

Как отмечено выше, одновременно экспериментально изучить течение и теплообмен возможности не было ввиду отсутствия измерителей теплового потока соответствующего уровня. В связи с этим подавляющее большинство исследователей изучали обтекание тел и теплообмен на их поверхности раздельно, а затем «сшивали» результаты, чтобы представить их взаимосвязь.

Ясно, что охватить в обзоре сколько-нибудь широкий класс моделей и карт режимов невозможно. В настоящем обзоре мы сделали выбор, основываясь на поставленных задачах в работе: создать комплексную методику исследования, позволяющую описать течение и теплообмен в ходе единого эксперимента, в реальном времени. Такой подход диктует необходимость:

- убедиться в его адекватности на апробированных и не вызывающих сомнений опытах;

- развить новые подходы, позволяющие получать значения традиционных параметров иным путем;

- показать преимущества нового метода при решении задач интенсификации теплообмена, совершенствования и модернизации теплообменных поверхностей.

В качестве основных модельных тел, наиболее соответствующих этим требованиям, выбран круглый цилиндр - гладкий и с кольцевыми ребрами. В пользу такого выбора говорят, как важность и распространенность модели в различных теплообменных устройствах, так и обилие экспериментальных данных, связанных с обтеканием - поперечным и косым - гладких и оребренных труб.

При обзоре первостепенное внимание уделено методике и технике опытов. Оба фактора менялись на протяжении десятилетий, но принципиальных изменений не претерпели по причинам, изложенным во введении.

Первый раздел обзора посвящен исследованиям обтекания и теплообмена на поверхности гладкого кругового цилиндра (трубы). Многочисленные исследования эллиптических, кулачковых и других профилированных труб, а также труб, входящих в пучки [1], оставлены вне рамок как объекты дальнейших приложений развиваемой в работе методики.

Второй раздел охватывает трубы с ребрами; особо выделены ребра кольцевые, а также все результаты, связанные с визуализацией течений.

Третий раздел посвящен Р1У технологии и градиентной теплометрии - двум наиболее важным элементам развиваемой методики. Завершают обзор выводы, определяющие ход собственных исследований.

1.2 Обтекание гладкого цилиндра

К одному из первых исследований такого объекта относится вышедшая в 1926 г. статья М. В. Кирпичева [2], в которой описан опыт с вакуумированной стеклянной трубкой круглого сечения. На поверхности трубки в качестве основного нагревателя крепилась платиновая полоска, через которую пропускали электрический ток. Температура нагрева полоски контролировалась расположенной под ней термопарой из железной и константановой проволок диаметром 0,1 мм.

На тонкой платиновой полоске одновременно измеряли силу тока и падение напряжения. По закону Джоуля-Ленца рассчитывался подведенный тепловой поток Q. По закону Ома можно было определить температуру Т, до которой была нагрета полоска. Вычислив площадь поверхности полоски F и зная температуру потока воздуха I, автор смог рассчитать КТО а от платиновой полоски к воздуху:

а = —&—. (1.1)

^(Т - X)

Тепловой поток от нагревателя рассеивается не только через наружную поверхность пластины. Имеют место утечки через края полоски, через нижнюю поверхность вовнутрь трубки и через подводящие провода. В первом случае потери компенсировались двумя концевыми нагревателями, выполненными в виде колец из платиновых полосок, которые нагревались до температуры, равной температуре основного нагревателя, от отдельного источника тока. Во втором и третьем случаях потери минимизировались за счет высокого вакуума внутри трубки и большой, по сравнению с шириной, длиной основного нагревателя.

Автор работы [3] выяснил, как меняется КТО на поверхности обтекаемого цилиндра в зависимости от угла поворота относительно вектора скорости воздушного потока. Кривые радиальной диаграммы, выполненной в полярных координатах, имеют сердцевидную форму и показывают наибольший КТО при азимутальном угле 45° от лобовой точки. Кормовая сторона цилиндра имеет КТО в два раза меньше. С увеличением скорости воздушного потока КТО возрастает по закону, подобному формуле Нуссельта для потока воздуха в трубе. В результате проведенного эксперимента было установлено, что КТО увеличивается с усилением турбулентности. Размещенные перед трубой различные турбулизаторы позволяли повысить КТО вдвое. Следует учитывать, что турбулизация потока требует затрат мощности, что, в свою очередь, скажется на конструкциях теплообменников котлов, дымоходах и т.п.

В 1932 г. А. С. Синельников и А. С. Чащихин [4] провели исследования зависимости КТО от угла атаки в диапазоне 65...90°. Цилиндр (й = 23 мм, I = 645 мм) помещался в канал (сечением 0,7 х 0,3 м) аэродинамической трубы и проворачивался вокруг своей оси. Авторы провели эксперимент на трубке, выполненной из фарфора, которая представляла из себя электрический калориметр. Нагреватель из нихрома был изолирован сверху асбестом толщиной слоя 3 мм и помещался вовнутрь латунной трубы. Были приняты специальные меры для минимизации потерь теплоты через опорные конструкции и утечек через торцевые части. Это позволило приблизить к прямой линии график равномерности

температур по длине трубы. Температура поверхности измерялась термопарами, при этом холодные спаи были вынесены вверх по течению, и, таким образом, непосредственно измерялась разница температур.

Для измерения переданной теплоты применялся прецизионный ваттметр, температура в ходе эксперимента поддерживалась постоянной.

При нормальном обтекании (в = 90°) авторы вывели уравнение подобия, которое в современных обозначениях имеет вид

Ш = 0,39Ке0'56, (1.2)

где Ми = аЛ/Хх - среднее число Нуссельта, Яе = wd|V - число Рейнольдса.

Удалось им также связать КТО с углом в при разных режимах течения (рисунок 1.1)

Рисунок 1.1 - График зависимости КТО ас от угла в при различных скоростях потока ^

(здесь 0 = ф) [4]

На рисунке наблюдаются два экстремума а при углах 75...105°. Авторы также отметили, что аэродинамическое сопротивление при в < 90° заметно уменьшается, но объяснять взаимосвязь между теплообменом и аэродинамическим сопротивлением модели не стали.

В аналогичной работе 1934 г. [5] А. А. Гухман ссылается на ту же зависимости а (в) и представляет визуализацию обтекания круглого нагретого цилиндра для чисел Яе от 0,7 • 104; 3 • 104 и 5 • 104, полученную с помощью теплеровской диагностики. В своей работе он описывает обтекание круглого нагретого цилиндра и указывает, что при «нормальной» турбулентности отчетливо видны сходящие с цилиндра вихревые полосы; при значительной турбулентности вихревой след размывается и происходит существенное смещение точек отрыва вихрей, особенно при больших числах Яе.

В работах [3, 6], выполненных Л. М. Зысиной-Моложен, косое обтекание круглого цилиндра сопоставлено с нормальным обтеканием эллиптического цилиндра. Основные выводы этой работы следующие: при поперечном и косом обтекании цилиндра вплоть до угла в > 50° течение в лобовой части слабое, при в = 60°. 70° КТО достигает максимальной величины, что на 20% больше, чем при в = 90°, а коэффициент сопротивления начинает снижаться. При числе Рейнольдса Яе = 104 и угле в > 60° усиливается продольное течение, а КТО заметно падает.

Многочисленные результаты дальнейших исследований обобщил в монографии [7] А. А. Жукаускас. Существующие и многократно подтвержденные результаты сводятся к следующему [8]: при поперечном обтекании цилиндра характер течения зависит от числа Рейнольдса.

Автор большое внимание уделил силам инерции и силам вязкости при различных режимах в лобовой области и изучил след за кормой. Наблюдения показали, что в переходном режиме в потоке сначала появляется поперечная составляющая, а затем происходит турбулизация.

При числах Re < 1 силы вязкости значительно превосходят силы инерции, как следствие поток сходит с поверхности цилиндра в окрестности кормовой точки (рисунок 1.2, а). Отрываться вихри начинают при числах Re > 40 и за кормой образуется дорожка Кармана.

В переходном режиме при числах Яе = 150.300 след за кормой образуется

объемным и полностью турбулентным. В фронтальной зоне давление падает, скорость частиц увеличивается и, преодолевая силы трения, скользят вдоль поверхности. В корме скорость замедляется, энергия потока расходуется на трение, направление движения меняется на противоположное и в результате происходят хаотичные срывы вихрей. Критическим являлся режим при числе Рейнольдса Яе = 2 • 105. При режимах до этого значения отрыв наблюдался при азимутальном угле ф ~ 78.. .81°, после этого значения граница отрыва сильно смещалась в сторону кормы отрыв пограничного слоя наблюдался при ф ~ 137.141 (рисунок 1.2, в) [7].

Рисунок 1.2 - Обтекание цилиндра: а - Яе ~ 1; б - Яе < 2 • 105; в - Яе > 4 • 105 [7]

Частоту схода вихрей в следе за кормой, которые воспроизводят дорожку Кармана, определяет число Струхаля

= ^,

(1.3)

w

где/- частота схода вихрей, Гц; - скорость потока (средняя), м/с.

При числах Рейнольдса в диапазоне 104 < Яе < 1,2 • 106 приблизительное число Струхаля Sh ~ 0,2. К этой частоте и привязаны колебания параметров течения.

КТО в лобовой точке обтекаемого воздушным потоком цилиндра а0 рассчитывается из уравнения подобия

Ки, = 1,14Яе05 • Рг°'35, (1.4)

где Ки^ = а0^X - число Нуссельта; Яе^ = V — число Рейнольдса; Рг = v/а -число Прандтля.

Полагаем, что с учетом параметра турбулентности Ти

= 0,43Ке0'6 • Рг035Ти°

„0,3^^,0,15

(1.5)

Изменение местного КТО в зависимости от изменения азимутального угла ф показано на рисунке 1.3; вклад турбулентности воздушного потока в изменение величин местного КТО показан на рисунке 1.4.

Рисунок 1.3 - Распределение локальных КТО по поверхности нагретого цилиндра

при различных режимах течения [7]

2,0

№

1

\ N / *

Л\ / лт ( 1 с

Гц.** о с

- — и с

О 30 66 90 120 150 у

Рисунок 1.4 - Влияние турбулентности на местный КТО [7]

«При обтекании воздушным потоком нагретого круглого цилиндра теплообмен описывается уравнением Ки=С-Яет-Рг". Это уравнение подобия с коэффициентами С, т и п, которые зависят от турбулентности и угла ф. В передней части т = 0,5 при турбулентности Ти < 1%. При увеличении турбулентности Ти до 20% показатель степени увеличивается до т = 0,65, для кормовой области показатель степени усредняют т = 0,73» [7].

'1 1 /ч

-Л

\ Л

1 Ч

о 30 60 № 120 150 У

Рисунок 1.5 - Изменение местного КТО круглого цилиндра в зависимости от угла ф [7]

Представленная картина течения хорошо описана в работе [7], в которой рассмотрено обтекание цилиндра при критических и докритических значениях чисел Рейнольдса. Как показывает кривая 1 на рисунке 1.5, соответствующая малым числам Рейнольдса, в лобовой точке наблюдается максимальный КТО. По мере удаления от лобовой точки в связи с развитием ламинарного пограничного слоя теплоотдача ухудшается. На кривой 2 того же рисунка, соответствующей большим числам Рейнольдса, наблюдается, что при угле ф = 80° ламинарный пограничный слой отрывается, происходит турбулизация воздушного потока и КТО возрастает. На кривой 3, соответствующей критическому режиму, видны два «провала» в местах отрыва сначала ламинарного, а затем турбулентного пограничного слоя. На кривой 4 первый минимум соответствует

сверхкритическому режиму; при угле ф ~ 40° наблюдается переход течения из ламинарного в турбулентное. Второй минимум показывает точку отрыва пограничного слоя. Точка перехода пограничного слоя от ламинарного в турбулентный подвижна, она меняет свое положение при изменении числа Рейнольдса и турбулентности набегающего воздушного потока.

Сверхкритическое обтекание круглого цилиндра воздушным потоком (рисунок 1.6) характеризуется зависимостью между турбулентностью и первым минимумом КТО; чем выше степень турбулентности, тем ближе критическая точка к лобовой.

D 30 6G SO Т20 ВО f

Рисунок 1.6 - КТО на поверхности круглого цилиндра при обтекании его потоком воздуха в

зависимости от турбулентности [7]

Оценка среднего значения КТО показала, что полученные при условиях Tw = const и qw = const данные очень близки. А. А. Жукаускас в своих опытах получил данные, которые представлены на рисунке 1.7. [7]. Экспериментальные данные получены при условии qw = const для чисел Рейнольдса от 4 • 104 до 2 • 106 в потоках воздуха и воды. Было показано, что средний КТО значительно увеличился при критическом режиме Re ~ 2 • 105. При числах Рейнольдса Rе/ > 3,5 • 105 теплообмен описывается новым уравнением подобия, где показатель

степени при Rе/ возрастает до 0,8. В диапазоне чисел Рейнольдса от 1,5 • 105 до 3,5 • 105 в связи с возрастанием частоты схода вихрей и неустойчивостью режима происходит отклонение от общепринятых закономерностей.

8 6

к^щРг^Ръ/РъГ*" я/

у

4 о- 1 *-2 Л

4 6 Ь Ю5

4 6 6 Ю6

Рисунок 1.7 - Средний КТО при обтекании цилиндра потоками воздуха и воды: 1, 2 - поток воды, диаметры цилиндрических моделей 30,7 мм и 50 мм; 3 - воздушный поток, диаметр модели 32 мм [7]

Кривая К/ (Яе/) разделена на четыре участка; формулы представлены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Расчет среднего КТО на поверхности цилиндра [7]

Зона Рекомендуемая формула Интервал значений Rе/

I Ми , = 0,76Ке°4 • Рг^Рг/Рг.)0'25 10° ... 4 101

II N4 г = 0,52Ке°5 • Рг^Рг/Рг,,,)'125 4•101 ... 103

III № , = 0,26Ке°6 • Рг^Рг/ Рг„.)°'25 103 ... 2 105

IV № , = 0, 023Яе°8 • Рг0-4(Р^/Р^)0'25 2 • 105 ... 107

А. А. Жукаускас проводил вышеуказанные опыты при нормальном обтекании цилиндра, то есть под углом в = 90° к направлению потока. В обзорной части его монографии не отражены новые способы визуализации исследования течения, которыми обладает наша лаборатория: это Р1У технология и градиентная

теплометрия. Кроме того, мы поставили опыты с применением стержней турбулизаторов [8].

Применительно к задачам нашего исследования наиболее интересны методический подход, используемые датчики, конструкции моделей, опытных стендов и т.д.

К числу «современных» следует, пожалуй, отнести работу Э. Ахенбаха [9], в которой, как и в нашей работе [8], эксперимент проводился при обтекании нагретого цилиндра и исследовался теплообмен на его поверхности. Режим течения соответствовал числам Рейнольдса от Re = 3 • 104 и до Re = 4 • 106.

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Гусаков Андрей Александрович, 2021 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Saman Abolfathia, Arash Mirabdolah Lavasania, Peyman Mobedia, Kamran Salehi Afshara. Experimental study on flow around a tube in mixed tube bundles comprising camshaped and circular cylinders in in-line arrangement. International Journal of Thermal Sciences.

2. Кирпичев М.В. Исследование теплопередачи в отдельных местах цилиндрического тела в потоке воздуха. 1926 г.

3. Моложен Л.М. Сравнительное экспериментальное исследование теплоотдачи круглых цилиндров, расположенных под различными углами атаки, и соответствующих им эллиптических цилиндров / Дипломная работа студента ИФФ ЛИИ. - 1936.

4. Синельников А.С. Теплопередача круглого цилиндра в зависимости от угла атаки воздушного потока / А.С. Синельников, А.С. Чащихин // Журнал технической физики, 1932. - Том II, вып. 9—10.

5. Гухман А.А. Теория подобия и ее приложения // Физические основы теплопередачи — ВИТГЭО: Гос. Энерг. изд-во Ленинград-Москва, 1934. - Том I.

6. Зысина-Моложен Л.М., Зысин Л.В., Поляк М.П. Теплообмен в турбомашинах. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1974. - 336 с.

7. Жукаускас А.А. Конвективный перенос в теплообменниках. - М.: Наука, 1982. - 472 с.

8. Гусаков А.А. Течение и теплообмен при обтекании цилиндра: совмещение PIV-метода и градиентной теплометрии, дис. канд. тех. наук / С.-Петерб. политехн. ун-т Петра Великого. Санкт-Петербург, 2015.

9. Achenbach E. Total and local heat transfer from a smooth circular cylinder in cross-flow at high Reynolds number / Int. J. Heat Mass Transfer. Vol 18, pp. 1387-1396, 1975.

10. Геращенко О.А. Основы теплометрии. - Киев: Наукова думка, 1971, 92 с.

11. Sparrow E.M. and Yanez Moreno A.A. Effect of yaw on forced convection heat transfer from a circular cylinder / Int. J. Heat Mass Transfer. Vol 30, No 3, pp. 427-435, 1987.

12. Kaminski D.A., Fu X.D. and Jensen M.K. Numerical and experimental analysis of combined convective and radiative heat transfer in laminar flow over a circular cylinder / Int. J. Heat Mass Transfer. Vol 38, No 17, pp. 3161-3169, 1995.

13. Nakamura H., Igarashi T. Unsteady heat transfer from a circular cylinder for Reynolds numbers from 3000 to 15,000 / Int. J. of Heat and Fluid Flow 25 (2004), pp. 741-748.

14. Скринська А.Ю., Жукаускас A.A., Стасюлявичюс Ю.К. Экспериментальное исследование локальных коэффициентов теплоотдачи спирально оребренных труб // Тр. АН Лит. ССР. Сер. Б. - 1964. - Т.4(39). -С.213-218.

15. Стасюлявичюс Ю.К., Скринска А.Ю. Теплоотдача поперечно обтекаемых пучков ребристых труб. - Вильнюс: Минтис, 1974. - 243 с.

16. Жукаускас А.А., Улинскас Р.В., Зинявичюс Ф.В. Влияние компоновки шахматного пучка на местную теплоотдачу оребренной трубы в поперечном потоке вязкой жидкости // Тр. AH Лит. ССР. Сер. Б. - 1986. - Т.3 (154). - С. 78-84.

17. Жукаускас А.А., Улинскас Р.В., Зинявичюс Ф.В. Местные характеристики теплоотдачи и обтекания шахматных пучков ребристых труб // Тр. AH Лит. ССР. Сер. Б. - 1984. - Т.2 (141). - С. 46-55.

18. Кунтыш В.Б., Иохведов Ф.М. Экспериментальное исследование местных коэффициентов теплоотдачи труб со спиральными ребрами в поперечно обтекаемых ребристых пучках // Известия вузов, Энергетика. - 1977. - № 2. -С. 105-110.

19. Кунтыш В.Б., Иохведов Ф.М. Влияние числа рядов и компоновки поперечно обтекаемого ребристого пучка на местную теплоотдачу последних рядов труб // Известия вузов. Энергетика. - 1979 - №3. - С. 56-59.

20. Кунтыш В.Б., Кузнецов Н.М. Тепловой и аэродинамический расчеты оребренных теплообменников воздушного охлаждения. СПб.: Энергоатомиздат. Санкт-Петербург. отд-ние, 1992. - 280 с.

21. Gardon R. A transducer for the measurement of heat flow rate // Journ. of Heat Transfer. - 1960. - Vol. 82. - № 4. p. 396-398.

22. Гортышов Ю.А., Варфоломеев И.М., Якушев Р.А. К исследованию теплоотдачи с помощью датчика теплового потока // Изв. вузов. Авиационная техника. - 1978. - № 3. - С. 38-41.

23. Neal S.B.H.C., Hitchcock J.A. A Study of the Heat Transfer Processes in Banks of Finned Tubes in Cross Flow, Using a Large Scale Model Technique // Heat Transfer -1986: Proc.3rd Int. Heat Transfer Conf.: Chicago. - 1966. - P.290-298.

24. Исследование местной теплоотдачи трубы с кольцевыми ребрами в поперечном потоке воздуха / Легкий В.М. и др. // Теплофизика и теплотехника. -1973. - Вып.23. - С. 86-93.

25. Легкий В.М., Жолудов Я.С., Геращенко О.А. Локальным теплообмен одиночной поперечно-омываемой круглой трубы с внешним кольцевым оребрением // Инж.физ.журн. - 1976. - Т.30, - № 2. - С.274-280.

26. Перч В.Д. Результаты экспериментального исследования локального конвективного теплообмена на трубах с кольцевыми ребрами при поперечном омывании потоком воздуха // Труды Николаевского кораблестроительного института. Теплоэнергетика и хладотехника. - 1977. - Вып. 124. - С. 33-39.

27. Krückels W., Kottke V. Untersuchung über die Verteilung des Wärmeübergangs an Rippen and Rippenrohr Modellen // Chemie-Ing. - Technik. - 1970. - Bd. 42. - N.6. - S. 355-362.

28. Effect of angle of attack on the heat transfer coefficient for an annular fin. E.M. Sparrow and S.R. Chastain In, _I. Hear Mass Transfer. Vol. 29, No. 8, pp. 11851191, 1986.

29. Жукаускас А.А., Улинскас Р.В., Зинявичюс Ф.В. Сопротивление шахматных пучков ребристых труб поперечному потоку жидкости // Инж. физ. журн. - 1982. - T. 43. - No 6. - С. 891-898.

30. Жукаускас А.А., Улинскас Р.Б., Зинявичюс Ф.В. Сопротивление формы поперечно-обтекаемых пучков оребренных труб // Тр. AH Лит. ССР. Cep. Б. - 1988. - T. 4 (167). - C. 87-95.

31. Performance Evaluation of Louvered Fin Compact Heat Exchangers with Vortex Generators. Henk Huisseune (диссертация магистра) 2012-12.

32. B. Sahin, A. Akkoca, N.A. Ozturk, and H. Akilli. Investigations of flow characteristics in a plate fin and tube heat exchanger model composed of single cylinder. International Journal of Heat and Fluid Flow, 27 (3): 522-530, 2006.

33. M.S. Mon and U. Gross. Numerical study of fin-spacing effects in annularfinned tube heat exchangers. International Journal of Heat and Mass Transfer, 47: 1953-1964, 2004.

34. H.J. Sung, J.S. Yang, and T.S. Park. Local convective mass transfer on circular cylinder with transverse annular fins in crossflow. International Journal of Heat and Mass Transfer, 39 (5): 1093-1101, 1996.

35. B. Watel, S. Harmand, and B. Desmet. Influence of flow velocity and fin spacing on the forced convective heat transfer from an annular-finned tube. JSME International Journal Series B - Fluids and Thermal Engineering, 42 (1): 56-64, 1999.

36. R. Romero-Mendez, M. Sen, K.T. Yang, and R. McClain. Effect of fin spacing on convection in a plate fin and tube heat exchanger. International Journal of Heat and Mass Transfer, 43 (1): 39-51, 2000.

37. U. Ahrend, M. Buchholz, R. Schmidt, and J. Köhler. Investigation of the relation between turbulent fluid flow and local heat transfer in fin-and-tube heat exchangers. In Proceedings of the 13th International Heat Transfer Conference, Sydney, Australia, 2006.

38. D. Bougeard. Infrared thermography investigation of local heat transfer in a plate fin and two-tube rows assembly. International Journal of Heat and Fluid Flow, 28 (5): 988-1002, 2007.

39. J.Y. Kim and T.H. Song. Effect of tube alignment on the heat/mass transfer from a plate fin and two-tube assembly: naphthalene sublimation results. International Journal of Heat and Mass Transfer, 46 (16): 3051-3059, 2003.

40. H.L Wu, Y. Gong, and X. Zhu. Air flow and heat transfer in louver-fin round-tube heat exchangers. Journal of Heat Transfer - Transactions of the ASME, 129 (2): 200-210, 2007.

41. B. Sahin, N.A. Ozturk, and C. Gurlek. Horseshoe vortex studies in the passage of a model plate-fin-and-tube heat exchanger. International Journal of Heat and Fluid Flow, 29 (1): 340-352, 2008.

42. Письменный Е.Н. Теплообмен и аэродинамика пакетов поперечно-оребренных труб. - К.: Альтерпрес, 2004. - 243 с.

43. Heat Transfer From a Yawed Finned Tube. F. Samie and E. M. Sparrow, J. Heat Transfer 108(2), 479-482 (May 01, 1986).

44. «ПОЛИС» измеритель полей скорости [Электронный ресурс] / Институт теплофизики СО РАН, Новосибирск. Режим доступа: http: //www.Itp .nsc.ru/piv/piv .htm.

45. Perrin R. Near-wake turbulence properties in the high Reynolds number incompressible flow around a circular cylinder measured by two- and three-component PIV / Perrin R., Braza M., Cid E., Cazin S., Moradei F., Barthet A., Sevrain A., Hoarau Y. // Flow Turbulence Combust (2006) 77: pp. 185-204.

46. Giordano R. Vortex shedding in the near wake of a finite cylinder / Giordano R., Astarita T., Carlomagno G.M. // 14th Int Symp on Applications of Laser Techniques to Fluid Mechanics, Lisbon, Portugal, 07-10 July, 2008.

47. Термоэлементы и термоэлектрические устройства: Справочник / Л.И. Анатычук. - Киев: Наук. думка, 1979. -768 c. Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление: Справочное пособие. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 367 с.

48. Митяков А.В. Градиентная теплометрия в теплоэнергетических установках: автореф. дис. ... докт. техн. наук. 05.14.04 / Митяков Андрей Владимирович.- СПб, 2010. 35 стр.

49. Geiling L. Das Thermoelement als Strahlungsmesser / Zeitschrift Fur Angewandte Physik. - Bd. 3.12. pp. 467-477. (1951).

50. Анатычук Л.И., Булат Л.П. Полупроводники в экстремальных температурных условиях - СПб.: Наука, 2001. - 224 с.

51. Сапожников С.З., Митяков В.Ю., Митяков А.В. Теплометрия в цилиндре двигателя внутреннего сгорания с использованием градиентных датчиков теплового потока // Известия высших учебных заведений и энергетических СНГ. Энергетика, 1997. - №9 - 10. - С. 53-57.

52. Сапожников С.З., Митяков В.Ю., Митяков А.В. Измерение нестационарных тепловых потоков градиентными датчиками на основе анизотропных монокристаллов висмута // ЖТФ. -2004. - Т.74. - №7. - С.114-120.

53. Дивин Н.П. Датчик теплового потока. Свидетельство на полезную модель № 9959 с приоритетом от 10.08.1998 г. Российское агентство по патентам и товарным знакам. 16.05.99. Бюллетень «Полезные модели». №5. Hanson A.R. Vortex shedding from yawed cylinders / AIAA journal Vol. 4, No. 4, pp. 738-740.

54. Razali S. F. M., 2010, "Wake Characteristics of Yawed Circular Cylinder and Suppression of Vortex-Induced Vibration Using Helical Strakes," the University of Western Australia, Crawley, Australia.

55. Сапожников С.3. Основы градиентной теплометрии / С.3. Сапожников,

B.Ю. Митяков, А.В. Митяков. - СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2012. - 203 с.

56. Митяков В.Ю., Митяков А.В., Сапожников С.З. Использование градиентных датчиков теплового потока для исследования местной теплоотдачи при поперечном обтекании цилиндра // XII Школа - семинар молодых ученых и специалистов. Т. 1, М.: Изд-во МЭИ, 1999. С. 47-50.

57. Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление: Справочное пособие. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 367 с.

58. Прандтль Л., Титьенс О. Гидро- и аэромеханика. - М.-Л.: ОНТИ НКТП, 1935. - Т 2. - 311 с.

59. Современное состояние гидродинамики вязкой жидкости / Под ред.

C. Гольдштейна - М.: Ил., 1948. -Т.2. -408 с.

60. Fage A., Falkner V.M. An experimental determination of the intensity of friction on the surface of an airfoil / Proc. Royal Soc. - London, A129, 1930. -P. 378-410.

61. Гусаков А.А., Греков М.А., Сероштанов В.В. Аэродинамика и теплообмен на поверхности одиночного кольцевого ребра // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки. 2018. Т. 11. № 2. С. 151 - 164.

62. Я.Г. Усачев. Явления, происходящие при резании металлов. ПГ, тип Р.Г. Шредера, 1915, 2+45с.

63. Виноградов В.Н., Сорокин Г.М. Албачиев А.Ю. Изнашивание при ударе. М., Машиностроение, 1982, 183 с, Исаев, П.П. Обработка металлов резанием / П.П. Исаев, A.A. Богданов. -М.: Оборонгиз, 1959. 569 с.

64. Ящерицын П. И., Цокур А.К., Еременко М.Л. Тепловые явления при шлифовании и свойства обработанных поверхностей. Минск: Наука и техника, 1973. С. 52.

65. Seroshtanov, V.V., Gusakov, A.A., Grekov, M.A. Multi-method research of flow and heat transfer for the tube with circular fins. Journal of Physics: Conference Series, Volume 1565, Issue 1, 28 July 2020, Article Number 012018; DOI: 10.1088/17426596/1565/1/012018

66. Сапожников С.З., Митяков В.Ю., Митяков А.В., Гусаков А.А., Маркович Д.М., Небучинов А.С. Совмещение градиентной теплометрии и PIV-диагностики: первые опыты и результаты. Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках. Тезисы докладов. 2015. С. 74-75.

67. Sapozhnikov, S.Z., Mityakov, V.Y., Gusakov, A.A., Seroshtanov, V.V., Subbotina, V.V. Experimental determination of circular fin effectiveness. Journal of Physics: Conference Series, Volume 1382, Issue 1, 28 November 2019, Article Number 012036.

68. Зайнуллина Э.Р. Градиентная теплометрия в исследовании теплообмена при конденсации пара на наружной поверхности трубы. Канд. дисс., СПб, 2019.

69. Tinevez, J. Y. TrackMate: An open and extensible platform for single-particle tracking / J. Y. Tinevez, N. Perry, J. Schindelin // Methods.- 2019.- 115. -pp. 80-90.

70. Солодов А.П. Практикум по теплопередаче: Учебное пособие для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1986 - 296 с.

71. Температурные измерения: Справ. / О.А. Геращенко, А.Н. Гордов,

A.К. Еремина и др. - Киев: Наукова думка. - 1989. - 704 с.

72. Теплофизические измерения и приборы / Е.С. Платунов, С.Е. Буравой,

B.В. Курепин, Г.С. Петров. - Л.: Машиностроение, 1986. - 256 с.

73. Метрология теплофизического эксперимента: учеб. пособие / С.3. Сапожников [и др.]; под ред. проф. С.3. Сапожникова. - СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2017. - 180 с.

74. ГОСТ 34100.3-2017/ISO/IEC Guide 98-3:2008. Межгосударственный стандарт. Неопределенность измерения. Часть 3. Руководство по выражению неопределенности измерения

75. Выражение неопределенности измерения при калибровках / EA - 4/02 Европейская организация по аккредитации.

76. Coleman H. W. and Steele W. G. Experimentation, Validation, and Uncertainty Analysis for Engineers / John Wiley & Sons, 2009.

77. Colin Ratcliffe • Bridget Ratcliffe Doubt-Free Uncertainty In Measurement / Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2015.

78. Постановление от 31 октября 2009 г. N 879 Об утверждении положения о единицах величин допускаемых к применению в Российской Федерации.

79. ГОСТ 8.417-2002 / Государственная система обеспечения единства измерений. ЕДИНИЦЫ ВЕЛИЧИН, 2003.

80. Узаконенные (официально допущенные к применению) единицы измерений

81. Греков М.А. Исследование теплообмена при обтекании воздухом труб с кольцевым оребрением методами градиентной теплометрии и термометрии. Канд. дисс., СПб, 2020.

82. Походун А. И. Экспериментальные методы исследований. Погрешности и неопределенности измерений. Учебное пособие. СПб: СПбГУ ИТМО, 2006. 112 с.

83. Паспорт измерительной платы NI 9216 Getting Started Guide. Режим доступа: http://www.ni.com/pdf/manuals/376921c.pdf [интернет ресурс].

84. Mahbub Alam, MD., Zhou Y., 2007, "Turbulent Wake of an Inclined Cylinder with Water Running," J. Fluid Mech., 589, pp. 261-301.

85. Гусаков А.А. Гидродинамика и теплообмен при непоперечном обтекании нагретого изотермического цилиндра. XX школа-семинар молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева "Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках", 25-29 мая 2015, Москва. Доклад. В.В. Сероштанов, А.Ю. Бабич, А.А. Гусаков, Э.Р. Зайнуллина,

A.С. Косолапов, А.В. Митяков, А.В. Башкатов.

86. Ramberg S.E., 1983 "The Effect of Yaw and Finite Length upon the Vortex Wakes of Stationary and Vibrating Circular Cylinders," J. Fluid Mech., 128, pp. 81-107.

87. Thakur A., Liu X., Marshall J.S., 2004, "Wake flow of single and multiple yawed cylinders," J. Fluids Eng., 126 (5), pp. 861-870.

88. Исаченко В. П., Осипова В. А., Сукомел А. С., Издание 4-е перераб. и дополненное. - М.: "Энергоиздат", 1981. - 415 с. Учебник для технических специальностей высших учебных заведений.

89. Задачник по тепломассообмену / Ф.Ф. Цветков, Р.В. Керимов,

B.И. Величко; Под ред. Ф.Ф. Цветков. - М.: Издательство МЭИ, 1997- 136с.

90. Галин Н.М., Кириллов П.Л. Тепломассообмен (в ядерной энергетике) М., Энергоатомиздат, 1987 г. 376 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРАВИТЕЛЬСТВО ЛЕНИНГРАДСКОМ ОБЛАСТИ

КОМИТЕТ ПО ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОМУ КОМПЛЕКСУ

191311. Санкт-Петербург, ул. Смольного, д. 3 Для телеграмм: Санкт-Петербург. 191311 Тел : [phone] Тел./факс: [phone] E-mail: tekiiblenreg.ru

УТВЕРЖДАЮ Председатель комитета по топливно-энергетическому jcoMiineijcy Ленинградской области Ю. ^-Андреев

20^ г.

//

со

s, J-

-j ft- f/^clo

Ha N°

АКТ ВНЕДРЕНИЯ

результатов диссертации Гусакова Андрея Александровича «Градиентная теплометрия в комплексном исследовании течения и теплообмена на поверхности гладкого и оребренного цилиндра», представленной на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника

Предлагаемая экспериментальная методика и результаты, представленные в диссертационной работе А. А. Гусакова. внедрены и используются в проекте по созданию Лаборатории энергоэффективных систем и технологий на базе научно-образовательного центра «Теплофизика в энергетике» Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого.

Рекомендации, прежде всего методические, будут использованы в научно-прикладной деятельности ТЭК и ЖКХ Ленинградской области и Северо-Западного федеральною округа в целом. Использование разработок, описанных в диссертации А. А. Гусакова. во взаимодействии с международным концерном BDR Thermia Group -одним из ведущих мировых производителей теплоэнергетического оборудования -позволит развивать и совершенствовать теплоэнергетические системы и технологии в Ленинградской области. Изложенные в работе положения и результаты позволяют повысить качество подготовки и квалификацию специалистов ТЭК и ЖКХ и успешно проводить энергосберегающие мероприятия на котельных региона в рамках государственной программы Российской Федерации «Энергоэффективность и развитие энергетики».

Председатель комитета

К).В. Андреев

ПРИЛОЖЕНИЕ Б