Интенсификация теплообмена поперечными выступами на вогнутой поверхности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.14, кандидат технических наук Габдрахманов, Раниф Раифович

• Габдрахманов, Раниф Раифович
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Габдрахманов, Раниф Раифович

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ

ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Гидродинамика и теплообмен около вогнутых поверхностей.

1.2. Теплогидравлические параметры пристенных течений в каналах с поперечными выступами.

1.3. Цель и задачи исследования.

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА ПОПЕРЕЧНЫМИ ВЫСТУПАМИ ПА ВОГНУТОЙ ПОВЕРХНОСТИ.

2.1. Выбор и обоснование варьируемых параметров и метода исследования теплоотдачи.

2.2. Экспериментальная установка.

2.3. Объект исследования.

2.4. Измерительные приборы и устройства.

2.5. Методика и программа проведения опытов.

2.6. Методика обработки опытных данных (основные параметры).

2.7. Погрешность обработки опытных данных.

2.8. Тестовые эксперименты.

ГЛАВА 3. ГИДРОДИНАМИКА ТЕЧЕНИЯ ЗА ПОПЕРЕЧНЫМИ ВЫСТУПАМИ ОКОЛО ВОГНУТОЙ ПОВЕРХНОСТИ.

3.1. Визуализация.

3.2. Профили скорости за выступом.

3.3. Профили степени турбулентности за выступом.

3.4. Профили скорости и степени турбулентности при обтекании системы выступов.

ГЛАВА 4. ТЕПЛООБМЕН ОКОЛО ВОГНУТОЙ ПОВЕРХНОСТИ * С ПОПЕРЕЧНЫМИ ВЫСТУПАМИ.

4.1. Особенности теплообмена около вогнутой поверхности с поперечными выступами.

4.2. Рекомендации для расчета интенсификации теплообмена поперечными выступами на вогнутой поверхности и оценка температурного состояния стенки входной кромки турбинной лопатки авиационного ГТД.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Интенсификация теплообмена поперечными выступами на вогнутой поверхности»

В условиях мирового энергетического кризиса в настоящее время остро стоит проблема повышения эффективности тепловых машин и рационального использования топливно-энергетических ресурсов.

Известно [1], что при разработке перспективных энергетических установок сложных термодинамических циклов с утилизацией теплоты выхлопных газов теплообменные аппараты, ввиду неприемлемых габаритных размеров, часто являются сдерживающим фактором. Реализованные схемы теплообмена в теплообменных аппаратах традиционных конструкций характеризуются, как правило, низкими значениями энергетической эффективности, что отрицательно сказывается на технических характеристиках установки в целом, вплоть до полной потери выигрыша в КПД от установки теплообменника.

Повышение энергетической эффективности путем интенсификации теплообмена в каналах теплообменного оборудования способствует снижению металлоемкости конструкции и повышает ее эксплуатационные характеристики [2,3,4]. Низкие затраты энергии на прокачку охладителя при использовании перспективных методов интенсификации теплообмена в каналах открывают широкие перспективы применения систем охлаждения деталей и узлов современных ГТУ с высокими параметрами рабочего цикла [5].

При взаимодействии теплообменной поверхности с омывающим ее потоком газа или жидкости основное сопротивление теплообмену оказывает образующийся пограничный слой, причем в той его части, где сформирован вязкий подслой (у+< 5), а также, на границе турбулентной области у+« 30 [2]. Из этого следует, что для интенсификации конвективного теплообмена на процессы переноса целесообразно воздействовать лишь вблизи поверхности. Не случайно в обзорной статье [6] исследуется вопрос разрушения пограничного слоя для интенсификации теплообмена.

Искусственная турбулизация потока около поверхности приводит к возрастанию коэффициента теплоотдачи. А то обстоятельство, что основная масса потока остается при этом не затронутой турбулизаторами, не приводит к существенному росту гидравлического сопротивления. В этом случае можно говорить о паритете между приростом теплоотдачи и сопротивления или об опережающем росте теплоотдачи над гидравлическим сопротивлением, т.е. о высокой энергетической эффективности метода [7].

Среди многочисленных способов пристенной турбулизации потока особое место занимает дискретная макрошероховатость поверхности в форме поперечных выступов [8]. Выгодное отличие энергетических, гидравлических и технологических показателей этого способа воздействия на пограничный слой привели к его активному изучению и внедрению. Так в работе [9] описан факт тридцатипроцентного снижения металлоемкости трубного пучка с накатанными выступами, по сравнению с гладкогрубным вариантом в экономайзере котлоагрегата энергоблока АЭС. Предварительные расчеты, проведенные в [10] позволяют ожидать 40-50% снижения поверхности теплообмена в противоточном рекуператоре ГТУ, снабженном трубными пучками с накатанными выступами.

Что касается криволинейных теплообменных поверхностей, то следует отметить их широкую распространенность в технических устройствах. Такие поверхности могут быть представлены как силовыми, так и теплопередающими элементами конструкций.

Течение потока газа или жидкости около вогнутых поверхностей даже с незначительной кривизной (8 Л1<0,01) существенно отличается от прямолинейного. Активное воздействие центробежных массовых сил приводит в этом случае к более ранней потере устойчивости потока и переходу к турбулентному течению в пограничном слое. Наблюдаются, также деформации профилей скорости, изменения в распределении турбулентности как в ядре потока, так и в пограничном слое. Изменения претерпевает и тепловой пограничный слой, что приводит к некоторому возрастанию теплоотдачи около поверхности [11].

Совместное действие кривизны поверхности и постановка поперечных выступов, как ожидается, может привести к дополнительному приросту конвективного теплообмена около поверхности.

Несмотря на то, что явления, сопровождающие течения около гладких вогнутых поверхностей достаточно подробно изучены, вопросы совместного воздействия на теплоотдачу кривизны вогнутой поверхности и установленных поперечных выступов остается неисследованным.

Данная работа посвящена экспериментальному исследованию этого вопроса.

Отметим, что теоретическое исследование совместного воздействия вышеуказанных факторов ввиду сложности физического воздействия выступов на поток в поле центробежных массовых сил может привести к ошибочным результатам. Задачу о применимости метода суперпозиции отдельных воздействий для рассматриваемых условий теоретически также решить невозможно.

Поэтому для прояснения гидродинамической картины течения, установления физических закономерностей конвективного теплообмена у поверхности в этих условиях требуется проведение эксперимента.

Отметим, что данная работа имеет важное фундаментальное и практическое значение.

Цель работы состоит в разработке научно обоснованных рекомендаций по расчету коэффициентов теплоотдачи на вогнутой поверхности при интенсификации теплообмена поперечными выступами.

Задачи исследования состояли в следующем:

1. Исследовать структуру потока около вогнутой поверхности между двумя поперечными выступами.

2. Изучить распределение локальной теплоотдачи, а также среднюю теплоотдачу на вогнутой поверхности с поперечными выступами.

3. Разработать рекомендации по расчету теплоотдачи на вогнутой поверхности с поперечными выступами.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

1. Впервые исследована структура течения за одним и за двумя поперечными выступами на вогнутой поверхности.

2. Получены опытные данные по совместному воздействию на теплоотдачу продольной кривизны вогнутой поверхности и поперечных выступов.

3. Установлен диапазон значений параметра относительной кривизны поверхности, в котором целесообразно использование интенсификаторов теплообмена в виде поперечных выступов.

4. Разработаны рекомендации по расчету интенсификации теплообмена поперечными выступами на вогнутой поверхности.

Практическая ценность. Рекомендации, разработанные на основе экспериментального исследования конвективного теплообмена и гидродинамики за поперечными выступами на вогнутой поверхности, могут быть использованы для расчетного определения температурного состояния вогнутых поверхностей газовоздушных трактов систем охлаждения газотурбинных двигателей и энергоустановок.

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием общепринятых апробированных методов теплофизического эксперимента, использованием измерительной аппаратуры, отвечающей современным требованиям точности, удовлетворительным согласованием тестовых опытов с данными других авторов, расчетом погрешности экспериментальных данных.

Личный вклад автора. Соискателем выполнены тестовые эксперименты, основная программа опытов и их обработка, проведены анализ и обобщение результатов экспериментов.

Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы доложены и получили одобрение на XIII Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Внутрикамерные процессы в энергетических установках, акустика, диагностика, экология», г.Казань, КФВАУ им. Маршала М.Н.Чистякова, 2001г.; на Всероссийской школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН В.Е.Алемасова «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении», г.Казань, 2002г.; на III Российской национальной конференции по теплообмену, г.Москва, МЭИ, 2002г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 работы.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов и библиографии. Работа изложена на 101 странице машинописного текста, содержит 39 рисунков, 2 таблицы. Библиография содержит 69 наименований.

Заключение диссертации по теме «Теплофизика и теоретическая теплотехника», Габдрахманов, Раниф Раифович

Результаты работы переданы для использования в КМЗ «Союз» (г.Казань) и в Российский фонд фундаментальных исследований в рамках выполняемой на кафедре турбомашин КГТУ им.А.Н.Туполева НИР (проект № (99-02-18191)). Часть научных результатов вошла в отчет но федеральной программе «Интеграция» (проект А0012). Кроме этого результаты настоящих исследований были использованы в учебном процессе КГТУ им. А.Н. Туполева.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Габдрахманов, Раниф Раифович, 2003 год

1. Теплообменныс устройства газотурбинных и комбинированных установок.: Учеб. пособие для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Турбинос1роение»/Н.Д. Грязнов, и др. - М.: Машиностроение, 1985. - 360 с.

2. Жукаускас A.A. Проблемы интенсификации конвективного массоперепоса.//Тспломассообмен VII. Проблемные доклады VII Всесоюзной конференции но тепломассообмену ч. 1. - Минск. - ИТМО им. A.B. Лыкова АН БССР.- 1985.-е. 16-111.

3. Гухман A.A. Интенсификация теплообмена и проблема сравнительной оценки теплообменных поверхностей.//Теплоэпергетика. 1977. — №4.-с. 5-8.

4. Коваленко Л.М. Глушков А.Ф. Теплообменники с итенсификацией теплопередачи. М.: Энергоатомиздат. 1986. - 240 с.

5. Нагота Г.П. Эффективные способы охлаждения лопаток высокотемпературных газовых турбин //Учебное пособие. М.: Изд. МАИ.-1996.-100 с.

6. Интенсификация теплообмена: успехи теплопередачи, 2//Вилынос: Мокслас, 1988.- 188 с.

7. Олимпиев В.В. Интенсификация теплообмена, расчет и оптимизация пароподогревателей и ABO с шероховатыми каналами на ЭВМ. Методические указания. Казань: КФ МЭИ.-1990.-148 с.

8. Калинин Э.К., Дрейцер Г.А., Ярхо А. Интенсификация теплообмена в каналах. М.: Машиностроение. 1972. - 219 с.

9. Левченко Г.И. Развитие работ по совершенствованию поверхностей нагрева котлов. //Теплоэнергетика. 1983. - № 5. - с. 32 - 37.Ю.Саранцев К.Б. Основные направления исследований в области турбомашинУ/Энергомашиностроеиие . 1982. - № 1.-е. 15-19.

10. Халатов A.A., Аврамеико A.A., Шевчук И.В. Теплообмен и гидродинамика в полях центробежных массовых сил, в 4-х т.//Киев : Ин-т техн. теплофизики HAH Украины. 1996. - т. 1: Криволинейные потоки. - 290 с.

11. Бузиик В.М. Интенсификация теплообмена в судовых установках. -Л.: Судостроение.-1969.-364 с.

12. З.Щукин В.К. Теплообмен и гидродинамика внутренних потоков в полях массовых сил. М.: Машиностроение, 1980. - 240с.

13. Устименко Б.П. Процессы турбулентного переноса во вращающихся течениях.-Алма-Ата: HavKa, 1977.-288 с.

14. Мэрфи Дж.С. Распространение подобных решений Фолкнера-Скан на случай обтеканий искривленной поверхности //Ракет.гехника и космонаыика.-1965.-№11.-С.80-87.

15. Van Duke M.D. Higher order boundary layer theory //Ann. Rev. Fluid Mech.-l 969.-N1.-P.265-292.

16. Халатов A.A., Авраменко A.A., Митрахович М.М. Влияние кривизны поверхности на характеристики турбулентного течения и теплообмена //Пром. теплотехника.-1989.-11, №2.-с.8-11.

17. Халатов A.A., Авраменко A.A., Митрахович М.М. Влияние внешней турбулентности и продольного градиента давления на характеристики турбулентного слоя на выпуклой поверхности //Пром. теплотехпика.-№4.-с.27-31.

18. Халатов A.A., Шевчук И.В., Митрахович М.М. Численное моделирование динамического и теплового пограничного слоя //Пром. теплотехника.-1990.-12, №6.-с.28-33.

19. Щукин A.B. Турбулентный пограничный слой на криволинейной поверхности //Изв.вузов. Авиац. Техника.-1978.-№3.-с.113-120.

20. Ellis L. В., Joubert Р. N. Turbulent shear flow in a curved duct //J. Fluid mech. 1974. - 62, № 1. - P. 65-84.

21. Eskinazy S., Veh H. An investigation of fully developed turbulent flows in a curved channel //'J. Acron. Sci. 1956. - 13, № 1. - P. 23-28.

22. Eskinazy S., Vch I I. An investigation of fully developed turbulent flows in a curved channel //J. Aeron. Sci. 1956. - 13, № 1. - P. 23-28.

23. Бобошко B.A., Рыдпя II.В., Шмсдро 10. А. Характеристики турбулентного мофаничного слоя на вогнутой поверхности поворота па 90° // Изв. АН УССР. Механика жидкости и газа. 1982. - N 5. С. 155-158.

24. Gibson М.М., Verriopoulos С.A. Turbulent boundary layer on a mildly caned convex surface. Part 2: Temperature field measurements //Experiments in Fluids.-1984.-№2.-p.73-80.

25. Muck K.C., Hoffman P.H., Bradshow P. The effect of convex surface curvature on turbulent boundary layers //Ibid.-1985.-№161.-p.347-369.

26. Левченко Г.И. Развитие работ по совершенствованию поверхностей нагрева котлов. //Теплоэнергетика.- 1983. №5. - с. 32-37

27. Я}', Купер, Роуз. Влияние шага оребрения на характерист ики теплообмена горизонтальных конденсационных груб с непрерывными поперечными выступами //Теплопередача. 1985. -№2. - с. 113-120.

28. Халатов А.А., Шевчук И.В., Митрахович М.М. Исследование влияния выпуклой стенки на динамический и тепловой турбулентные пограничные слои.-Киев, 1990.026 с. Рукопись в УкрНИИНТИ, №1073.-У к90.

29. Ван Тарссел В.Ф., Толви Д.К. Исследование во втором приближении влияния продольной кривизны на течение в сжимаемых ламинарных пограничных слоях //Ракет.техника и космонавтика.-1971.-№4.-с. 174-182.

30. Масси Б.С., Клэйстон К.Р. Ламинарные тираничные слои и их отрыв от криволинейных поверхностей //Теорет. основы инж. расчегов.-1965.-№2.-с256-268.

31. Murphy J.S. Some effects of surface curvature on laminar boundary layer flow //J.Aero. Sci.-1953.-№20.-p.338-334.

32. Халатов Л.Л., Лврамснко А.Л. Теплоотдача в ламинарном пограничном слое на криволинейной поверхности //Пром. теплотехника.-1989.-41, №1.-с. 19-23.

33. So R.M.C., Mellor G.L. An experimental investigation of turbulent boundary layers along carved surfaces //NASA Rep.CR-1940.-1972.-13 p.

34. Рамаириан B.P., Шиваирасад В.Г. Результаты измерения средних параметров течения в турбулентных слоях на слабо искривленных поверхностях //Ракет, техника и космонавтика.-1977.-№2.-с. 74-93.

35. Wattendorf F.L. A study of the effect of curvature on fully developed turbulent flow //Proc. R. Soc. Lond.- 1935.- A148.- P.565-598.

36. Simon T.W., Moffat R J. Convex curvature effects on the heated turbulent boundar>' layer //Int. Heat Transfer. Conf. (Munchen).-1982.-№3.-P. 295-300.

37. Мигай В.К. Повышение эффективности современных теплообменников. JI.: Энергия.-1985.-143 с.

38. Гортышов Ю.Ф., Олимпиев В.В. Теилообмспныс аппараты с интенсифицированным теплообменом. Казань: Изд-во Казан, гос. техн. Ун-та, 1999 г, 176 с.

39. Теория и техника теплофизического эксперимента: Учеб. пособие для вузов/Ю.Ф. Гортышов, Ф.Н. Дресвянннков, II.С. Идиатуллин и др.-М.: Энергоатомиздат.-1985.-360 с.

40. Шивапрасад Б.С., Рамаприан Б.Р. Измерения турбулентности в пограничных слоях на умеренно искривленных поверхностях. //Теорег. основы инж. Расчеюв.-1978.-100, №1.- с. 158-169.

41. Jeans А.Н., Johnston J.P. The effect of concave curvature on turbulent boundary layer structure //Sump. On structure of complex turbulent shear llovv. (Marseille, France).-1982.-P.89-99.

42. Prabhu A., Rao B.N. S Effect of concave streamline curvature on turbulent boundary layers //14th Fluid and Plasma Dynamics Conf. (Palo Alto, California, Usa).-9 p.

43. Prabhu A., Narasima R., Rao B.N.S. Structure and mean ilow similarity in curved turbulent boundary layers //Sumposium, Aug 31 Sept 3.-1982. Marseille, France. P.-100-111.

44. Романенко П.Н. Теплообмен и трение при градиентном течении жидкостей:-М.: Энергия, 1971.-568 с.

45. You S.M., Simon T.W., Kim J. Boundary layer heat transfer and fluid mehanics measurements on a mildly curved convex wall //Heat Transf. Conf. (WashS S.-Fracisco).-l986.-P 1089-1094.

46. Gibson M.M., Verriopoulos С.Л. Nagano Y. Measurment in the heated turbulent boundary layer on a mildly curved convex surface //3th Symp. on turbulent shear flow (California, Davis, Sept. 9-11 ).-1982.- P. 80-89.

47. Gibson M.M., Verriopoulos С.Л., Vlachos N.A. Turbulent boundary layer on a mildly curved convex surface. P.l: Mean flow and turbulence measurements//Ibid.- P. 17-24.

48. Дворников П.Л. Тепломассообмен и трение в криволинейных закрученных пристенных течениях: Лвторсф. дне. канд. техн. наук. -Новосибирск, 1985. -16 с.

49. Масси B.C., Клсйстон Б.Р. Некоторые свойства ламинарных пограничных слоев на криволинейных поверхностях //Тсорет. основы инж. расчетов. 1969. - №3. - с. 189-201.

50. Hoffman E.R., Muck К.С., Bradshaw P. The effect of concave on surface curvature on turbulent boundary layers. //J. Fluid Mech. 1985. 161. -P. 371-403.

51. Самойлов А.Г. Тепловыделяющие элементы ядерных реакторов. М.: Энергоатомиздат. 1985. - 224 с.

52. Терехов В.И., Ярыгина II.И., Жданов Р.Ф. Воздействие внешней турбулентности на теплообмен в отрывном течении за обратным наклонным уступом.

53. Локай В.И., Бодунов М.Н., Жуйков В.В., Щукин А.В. Теплопередача в охлаждаемых' деталях газотурбинных двигателей. — М.: Машиностроение. 1993. - 288 с.

54. Щукин А.В. Турбулентный пограничный слой на криволинейной поверхности //Изв. вузов. Авиационная техника. 1978. №3. с. 113-120.

55. Хасаншин И.Я. Интенсификация теплообмена поперечными выступами на выпуклой поверхности: дис. на соискание уч. степени канд. техн. наук. Казань, 2000. -113 с.

56. Петунии А.Н. Методы и техника измерений параметров газового потока.-М.: Машиностроение 1972.-479 с.

57. Щукин A.B., Габдрахманов P.P., Лгачев P.C. Интенсификация теплообмена поперечными выступами на вогнутой поверхности //Изв. ВУЗов Авиационная техника.-2002.-№3.-с.27-30.

58. Щукин A.B., Агачев P.C., Габдрахманов P.P., Хасаншин И.Я. Интенсификация теплообмена поперечными выступами в коротком криволинейном канале //Труды третьей Российской национальной конференции но теплообмену.-М.: МЭИ.- 2002г, т.6, с.217-219.

59. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. М.: Энергия. -1973.-320 с.

60. Сукомел A.C., Величко В.И., Абросимов Ю.Г. Теплообмен и трепне при турбулентном течении таза в коротких каналах. М.: Энергия. -1979.-216 с.