Исследование теплообмена при обтекании воздухом труб с кольцевым оребрением методами градиентной теплометрии и термометрии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.14, кандидат наук Греков Михаил Александрович

• Греков Михаил Александрович
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Греков Михаил Александрович

СОДЕРЖАНИЕ

РЕФЕРАТ

SYNOPSIS

ВВЕДЕНИЕ

1 ТЕЧЕНИЕ И ТЕПЛООБМЕН НА ОРЕБРЕННЫХ ТРУБАХ

1.1 Постановка задачи

1.2 Исследования течения и теплообмена

1.3 Примеры экспериментальных исследований

1.4 Визуализация течения. Тепло- и термометрия

1.5 Заключение

2 МЕТОДИКА, ТЕХНИКА И МЕТРОЛОГИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

2.1 Постановка задачи

2.2 Модели трубы с оребрением

2.3 Аэродинамическая труба

2.4 PIV диагностика

2.5 Градиентная теплометрия. Обработка сигналов

2.6 Термометрия

2.7 Схема экспериментального стенда

2.8 Обработка результатов, их неопределенность

2.9 Заключение

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕЧЕНИЯ И ТЕПЛООБМЕНА

3.1 Задачи, содержание и режимы экспериментов

3.2 Поперечное обтекание одиночного ребра

3.3 Косое обтекание одиночного ребра

3.4 Эффективность одиночного ребра

3.5 Обтекание ореберенной трубы

3.6 Заключение

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Приложение. Копии основных публикаций

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование теплообмена при обтекании воздухом труб с кольцевым оребрением методами градиентной теплометрии и термометрии»

РЕФЕРАТ Общая характеристика работы

Актуальность темы диссертационного исследования. Оребренные трубы - основной элемент теплообменников различного назначения. Материалы, форма и технология формирования ребер достаточно разнообразны. В промышленности накоплен большой опыт конструирования, производства и эксплуатации труб с оребрением. При расчете эффективности ребер задают усредненный по поверхности ребра коэффициент теплоотдачи (КТО). Однако КТО существенно меняется как по поверхности ребра, так и в зависимости от режима обтекания. Общепринятых зависимостей, учитывающих эти изменения, к настоящему времени не получено, а имеющиеся в литературе экспериментальные данные противоречивы. Необходимо комплексно исследовать течение и теплообмен на поверхности одиночных ребер и труб с оребрением. Отсутствие или невысокий уровень таких исследований делает тему диссертации актуальной.

Степень разработанности научной проблемы. Ребра и оребренные трубы различной конфигурации исследовали Г. А. Дрейцер, Е. М. Спэрроу, Д. Б. Сполдинг, Г. Н. Данилова, А. А. Жукаускас, Е. Н. Письменный, В. Б. Кунтыш и др.

При этом прямое измерение нестационарного теплового потока до последнего времени не проводилось, а данные термометрии (контактной и бесконтактной) удавалось получить только на поверхностях, нагреваемых стационарным тепловым потоком и в стационарном режиме.

Существенным прогрессом стало применение градиентной теплометрии - технологии, развиваемой в Санкт-Петербургском политехническом университете Петра Великого и основанной на использовании градиентных датчиков теплового потока (ГДТП) с уникально малой постоянной времени

(10-8.. ,10-9 с). Однако и эта технология, сочетаемая с визуализацией течений, реализована, в основном, при исследовании теплообмена на поверхностях с постоянной температурой. Работ комплексного характера, исследующих нестационарный теплообмен и течение вблизи неизотермических ребер, до настоящего времени не проводилось.

Цель и задачи диссертационного исследования. Целью исследования является комплексное определение параметров течения и теплообмена на поверхностях кольцевых ребер и оребренных труб, основанное на сочетании градиентной теплометрии, термометрии и PIV (Particle Image Velocimetry -измерение скорости по изображениям частиц) технологии. При этом необходимо решить следующие основные задачи:

- разработать и создать модели цилиндра с полым одиночным кольцевым ребром, моделирующим «идеальное» (изотермическое) ребро; а также со сплошным ребром той же геометрии, что и полое, выполненным из материала со сравнительно низкой теплопроводностью - из титана ВТ22;

- разработать и создать модель трубы с теплоотводящими и имитирующими кольцевыми ребрами, установленными с различным зазором;

- создать экспериментальный стенд для комплексного изучения обтекания и теплообмена на поверхности кольцевых ребер и оребренной трубы;

- совместить, протестировать и отработать предложенные технологии для поперечного и косого обтекания моделей;

- исследовать обтекание и теплообмен на поверхностях моделей при различных режимах и схемах обтекания;

- экспериментально определить эффективность кольцевых ребер и оребренных труб;

- оценить применимость развиваемого комплексного подхода к исследованию течения и теплообмена на неизотермических поверхностях.

Объект исследования. Теплообмен на поверхности труб с кольцевыми ребрами.

Предмет исследования. Течение и теплообмен при обтекании кольцевых ребер и оребренных труб с ребрами различного типа, геометрии, при направлениях воздушного потока и при различных числах Рейнольдса.

Теоретическая и методологическая основа исследования. Основой исследования послужила модель течения и теплообмена на поверхности изотермического и неизотермического кольцевого ребра и системы таких ребер, размещенных на поверхности кругового цилиндра. В работе реализованы методы и средства градиентной теплометрии, термометрии и Р1У диагностики, ранее применявшихся для исследования течения и теплообмена лишь на изотермических поверхностях.

Информационная база исследования. В работе использованы монографии, статьи и другие материалы, посвященные течению и теплообмену на поверхностях кольцевых ребер и оребренных труб. Особое внимание уделено работам по градиентной теплометрии и ее сочетаниям с другими технологиями при исследовании конвективного теплообмена в однофазной среде.

Обоснованность и достоверность результатов исследования. В работе используются фундаментальные соотношения теории теплообмена. Оценены неопределенности, с какими определены геометрические и режимные параметры, а также неопределенности, достигнутые при визуализации течения, тепло- и термометрии. Результаты исследований в целом согласуются с приводимыми в литературе, а в ряде случаев противоречат сложившимся представлениям, не выходя за пределы физической обоснованности.

Соответствие диссертации пунктам Паспорта научной специальности. Тема диссертации соответствует паспорту специальности 01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника для технических наук, а именно п.5. Экспериментальные и теоретические исследования однофазной свободной и вынужденной конвекции в широком диапазоне свойств

теплоносителей, режимных и геометрических параметров теплопередающих поверхностей.

Научная новизна результатов исследования. В работе впервые исследуется модель полого ребра, близко соответствующая представлениям об «идеальном» изотермическом ребре. Сопоставление теплообмена на полом и сплошном ребрах дает приоритетные экспериментальные результаты, пригодные для тестирования аналитических решений и результатов численного моделирования.

Впервые использовано сочетание, градиентной теплометрии, термометрии и Р1У технологии для определения местных КТО и параметров обтекания изотермических и неизотермических кольцевых ребер и оребренных труб.

Реализована инвазивная термометрия с применением полуискусственных термопар, позволяющая исследовать теплообмен на поверхностях, недоступных для тепловизионной диагностики.

Получены приоритетные результаты, связанные с обтеканием и теплообменом на поверхности ребер и оребренных труб при различных режимах течения и углах атаки. Параметры теплообмена и течения рассмотрены во взаимосвязи и получены в ходе единых экспериментов.

Экспериментально определена эффективность кольцевых ребер и оребренных труб при поперечном и косом обтекании.

Показаны возможности метода при исследовании ребер различных конфигураций.

Личный вклад автора заключается в формировании основного методического подхода (сочетании градиентной теплометрии, термометрии и Р1У диагностики), разработке, создании и применении экспериментальных моделей и стендов, проведении опытов и обработке их результатов, представлении новых экспериментальных данных по полям плотности теплового потока, КТО и скорости при обтекании кольцевых ребер и оребренных труб в аэродинамический трубе.

Основные положения, выносимые на защиту:

- впервые смоделированы теплообмен и обтекание поверхности «идеального» (изотермического) кольцевого ребра.

- исследования обтекания и теплообмена на изотермических и неизотермических поверхностях ребер и оребренных труб с использованием градиентной теплометрии, и термометрии и Р1У дагностики.

- результаты комплексного исследования обтекания и теплообмена на одиночных ребрах и оребренных трубах при различных геометрических и режимных параметрах;

- результаты экспериментального определения эффективности кольцевых ребер и оребренных труб при поперечном и косом обтекании.

- новые уравнения подобия для различных форм ребер и оребренных труб в диапазоне чисел Рейнольдса (0,4.. ,5,0)104.

Теоретическая и практическая значимость исследования. Сугубо теоретическое представление об «идеальном» ребре получило экспериментальную трактовку. Данные о КТО на поверхности «идеального» ребра, полученные в эксперименте, позволяют оценить адекватность расчетных моделей и, при необходимости, скорректировать постановку краевых задач теплопроводности и сопряженного теплообмена.

Показана возможность исследовать обтекание и теплообмен на моделях с неоднородными граничными условиями: в одних случаях на поверхности ребер поддерживается постоянная температура, в других происходит конвективный теплообмен с жидкостью постоянной температуры.

Обоснована и реализована экспериментальная оценка эффективности ребра при различных геометрических и режимных параметрах.

Полученные результаты позволяют более обоснованно задавать КТО, используемые в стандартных расчетах ребер и оребренных труб.

Апробация результатов исследования. Основные результаты диссертационной работы доложены на следующих семинарах и конференциях:

- на заседаниях и семинарах кафедры «Теплофизика энергетических установок» Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (2015-2019);

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

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

- на 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;

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

- на седьмой российской национальной конференции по теплообмену (РНКТ-7), 22-26 октября 2018, Москва.

Публикации результатов исследования. Результаты работ представлены в 8 публикациях, включая 1 статью в журнале из перечня ВАК (соответствующем коду специальности) и 4 статьи, имеющие индекс Scopus.

Структура диссертации: диссертация состоит из введения, трех глав с заключениями по каждой из них, общего заключения, списка использованной литературы, включающего 83 наименования. В общий объем диссертации входят 159 страниц основного текста, 73 рисунка и 5 таблиц.

Основные положения и результаты исследования

Во введении обоснована актуальность исследования, сформулированы его цель и задачи; научная, теоретическая и практическая значимость; методология и методы исследования; положения, выносимые на защиту; степень достоверности и апробация результатов, показанных в диссертации.

В главе 1 представлен обзор литературы, посвященной исследованию течения и теплообмена на кольцевых ребрах и оребренных трубах - в первую очередь, экспериментальному. Показаны возможности и особенности градиентной теплометрии, термометрии и Р1У диагностики. Глава определяет направление собственных исследований, их цели и задачи.

Особое внимание уделено методике и элементной базе градиентной теплометрии. Градиентные датчики теплового потока (ГДТП) реализуют поперечный эффект Зеебека: проходящий через анизотропную проводящую среду тепловой поток порождает поперечную термоЭДС, пропорциональную его плотности. В экспериментах использовались батарейные ГДТП из анизотропных монокристаллов висмута (рисунок 1).

Рисунок 1 - Батарейный ГДТП

Они обладают уникально низкой постоянной времени (10-8...10-9 с). Плотность теплового потока, проходящего через ГДТП,

Е

ч

Вт/м2,

(1)

где Е - сигнал ГДТП, мВ; £Ь - вольт-ваттная чувствительность ГДТП, мВ/Вт; F - площадь ГДТП в плане, м2.

Глава 2 посвящена методам, технике и технологии эксперимента. Описаны градиентная теплометрия, термометрия и Р1У диагностика течения. Обсуждается совмещение этих методик, обеспечивающее комплексное исследование течения и теплообмена в режиме реального времени.

Основой всех моделей, используемых в работе, послужил полый цилиндр, обогреваемый насыщенным водяным паром (рисунок 2). Пар из парогенератора подавался в полость модели, конденсат удалялся через отверстие в нижней точке. Небольшое избыточное давление измерялось и-образным водяным манометром; по абсолютному давлению определялась температура насыщения. Во всех опытах она была близка к 100 °С.

Исследовались модели цилиндра с полым («идеальным») ребром, с кольцевым ребром из титана ВТ22 и цилиндр с ребром из титана ВТ22 с ребрами-имитаторами из органического стекла. Размер ребер и шаг оребреня могли меняться.

Рисунок 2 - Модели цилиндра с ребрами

Низкая (около 9 Вт/(мК)) теплопроводность титана ВТ22 обеспечивала контролируемую в опытах неоднородность поля температуры. Толщина ребра, существенно превышающая используемую на практике, позволила оценить КТО и эффективность ребра, геометрия которого повторяла геометрию полого ребра, а также сопоставить результаты, полученные при исследовании полого и сплошного ребер.

Опыты проводились в аэродинамическое трубе, которая обеспечивала циркуляцию воздуха с постоянной температурой в диапазоне скоростей 1.. .60 м/с.

В работе использовались батарейные ГДТП на основе анизотропных термоэлементов из висмута чистоты 0,9999 с размерами в плане от 2*2 мм до 4x7 мм и толщиной 0.2 мм. Вольт-ваттная чувствительность всех ГДТП определялась градуировкой и составляла около 10 мВ/Вт. Сигнал регистрировался вольтметром В7-78/1 и аналого-цифровым преобразователем National Instruments.

Неинвазивные термометрические исследования проводились с помощью тепловизора FLIR З640. На рисунке 3 приведены примеры полей температуры.

Рисунок 3 - Тепловизионные фотографии: а - неизотермического и б - изотермического кольцевого ребра

Инвазивное измерение температуры на модели оребренного цилиндра осуществлялось с помощью полуискусственных термопар титан-медь.

Для PIV диагностики использовалась установка «ПОЛИС», разработанная и изготовленная в Институте теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН (г. Новосибирск).

На рисунке 4 приведена блок-схема стенда. В различных опытах схема отличалась только исследуемой моделью; в дальнейшем описана и показана на рисунках модель трубы с одиночным ребром.

Модель на поворотном устройстве находится в камере Эйфеля аэродинамической трубы. На поверхности ребра установлены ГДТП. На сплошном ребре, кроме того, заделаны спаи полуискусственных термопар (на схеме не показаны). Блок синхронизации системы «ПОЛИС» генерирует парные вспышки лазера; Р1У диагностику ведут по показаниям фотокамеры. Сигналы ГДТП (и, при их наличии, полуискусственных термопар) поступают в аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и далее на обработку в компьютер.

Рисунок 4 - Блок-схема стенда

В результате опытов на каждой из моделей удалось получить временную теплограмму, поля скорости и температуры, после чего рассчитать местные КТО.

Расчет неопределенности, по которому определялись величины, проведен в соответствии с ГОСТ 34100.1-2017/ISO/IEC Guide 98-1:2009 «Неопределенность измерения». Расширенная суммарная стандартная неопределенность составила для:

- плотности теплового потока - 1,15 %;

- температуры при инвазивном измерении - 5,4%; при неинвазивном - 1%;

- КТО - 2,4 %;

- скорости воздушного потока - 7,9 %.

Достигнутый метрологический уровень позволяет считать экспериментальные результаты достоверными.

Глава 3 освещает экспериментальные исследования течения и теплообмена на поверхности одиночного кольцевого ребра и оребренной трубы.

В работе реализованы следующие варианты:

- поперечное обтекание одиночного полого (изотермического) и сплошного ребра из титана ВТ22 высотой И = 20 и 60 мм, при числах

Рейнольдса Re = =(0,4.. .4,18)-104, где Ж - скорость свободного воздушного

потока м/с; й - диаметр несущего цилиндра, м; V - кинематическая вязкость воздуха, м2/с;

- косое обтекание одиночного полого (изотермического) ребра высотой 20 мм, под углом атаки у = 5.15 ° при числах Рейнольдса Яе = (0,4...4,18)104;

- поперечное обтекание оребренной трубы с полым и сплошным (из титана ВТ22) «рабочими» ребрами высотой И = 20 мм с межреберным расстоянием 5 = 5.20 мм, при числах Рейнольдса Яе = (0,4.. ,5,0)104.

В экспериментах определялись и рассчитывались:

- местные значения КТО;

- средние по поверхности ребра значения числа Нуссельта Ыи =

(где а - средний по поверхности ребра КТО, Вт/(м2К), й - диаметр несущего цилиндра, м, X - теплопроводность воздуха, Вт/(мК));

- зависимость числа Нуссельта от числа Рейнольдса;

- зависимость числа Нуссельта от угла атаки (при косом обтекании);

- эффективность ребра;

- мгновенные и усредненные по времени поля скорости;

Результаты представлены в прямоугольных и полярных координатах, а также в виде трехмерных поверхностей. На рисунке 5 в качестве примера приведены поля местного КТО при поперечном обтекании полого и сплошного ребер, а на рисунке 6 поле скорости при обтекании сплошного ребра.

На рисунке 5, а видно, что экстремальная зависимость местного КТО (с максимумом у миделевого сечения) свойственна как полому, так и сплошному ребру. Неравномерность распределения заметнее для высокого ребра. Эта же тенденция видна на рисунке 5, б. Сказанное подтверждает необходимость учитывать изменение КТО при расчетах ребер, а также дает возможность уменьшить (и металлоемкость) ребер за счет удаления их кормовой части. Важно, что практически во всех экспериментах установлено снижение КТО в кормовой части ребер; использование этого резерва позволит снизить стоимость и металлоемкость теплообменников.

При обтекании ребра высотой 60 мм на рисунке виден развитый возвратный вихрь, доводящий КТО до максимума.

При косом обтекании сплошного ребра выявлен следующий характер течения и теплообмена: зависимость числа Нуссельта от угла атаки выражено слабо - при существенном влиянии числа Рейнольдса. Значения экспериментальных коэффициентов для уравнения подобия № = С Ren при косом обтекании ребра под углом у представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Коэффициенты уравнения №=С^еп при различных углах атаки у

У,° п С

5 0,66 0,227

10 0,62 0,314

15 0,65 0,215

а)

б)

Рисунок 5 - Распределение КТО на поверхности одиночного ребра: а - в полярных координатах; б - в трехмерном виде

Опыты на модели с полым ребром позволили определить эффективность сплошного ребра прямым сопоставлением тепловых потоков для обоих ребер. Существенные различия расчетных и опытных точек (рисунок 7) подтверждают необходимость учитывать неоднородное распределение КТО по поверхности ребра.

При косом обтекании экспериментальные данные также существенно отличаются от всех рекомендованных в литературе, что позволяет считать их приоритетными.

Рисунок 7 - Расчетная и экспериментально определенная эффективность

кольцевого ребра

В отдельной серии опытов исследовано обтекание и теплообмен на поверхности трубы с различным шагом оребрения. Распределения КТО (рисунок 8) показывают, что существенная турбулизация межреберного течения наблюдается только при Re = 5 104. На всех режимах наблюдаются возвратные токи в межреберных зазорах. Максимум КТО смещен к лобовой части модели. С ростом числа Рейнольдса эта тенденция ослабевает, а при зазоре в 15 мм максимум смещен к кормовой части.

Рисунок 8 - Распределение безразмерного КТО на поверхности полого ребра

В результате опытов получены новые уравнения подобия для оребренной трубы имеют вид:

- при межреберном расстоянии 5 мм:

Ш = 0,089Яе0,77:

- при межреберном расстоянии 10 мм:

0,76 ,

Ш = 0,126 Яе - при межреберном расстоянии 15 мм:

Ш = 0,114 Яе0,77 .

(2)

(3)

22

Заключение

1. В рамках единого комплексного эксперимента определены поля температуры, скорости и распределение коэффициентов теплоотдачи на неизотермических поверхностях кольцевых ребер и оребренной трубы.

2. Разработаны, созданы и использованы в экспериментах обогреваемые насыщенным водяным паром модели трубы с полым и сплошным одиночными ребрами, а также трубы с кольцевыми ребрами.

3. Создан экспериментальный стенд, позволивший в реальном времени исследовать течение и теплообмен на поверхностях ребер с использованием градиентной теплометрии, термометрии и PIV технологии.

4. Исследованы поперечное и косое обтекания одиночного кольцевого ребра, а также трубы с оребрением различного шага, в диапазоне чисел Рейнольдса Re = (0,4. 5,0)-104.

5. Выявлены связи параметров течения и теплообмена на моделях разной конфигурации. Показано влияние неизотермичности на распределение плотности теплового потока на поверхности теплообмена.

6. Экспериментально определена эффективность кольцевых ребер при различных режимах поперечного и косого обтекания. Установлены существенные различия между опытными и расчетными данными.

7. Показаны перспективы предлагаемого подхода в исследовании обтекания и теплообмена на неизотермических поверхностях. Уменьшение кормовой части ребер позволит снизить металлоемкость и стоимость теплообменников.

Основные научные публикации по теме диссертационного исследования

В рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Греков М.А. Аэродинамика и теплообмен на поверхности одиночного кольцевого ребра / Гусаков А.А., Греков М.А., Сероштанов В.В. // Научно-

технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки. 2018. Т. 11. № 2. С. 151 - 164. DOI: 10.18721/JPM. 11214.

2. М.А. Греков. Исследование течения и теплообмена у поверхности одиночного кольцевого ребра. // В. Ю. Митяков, А. А. Гусаков, В. В. Сероштанов, А. В. Павлов, М. А. Греков / Вестник Рыбинской государственной авиационной технологической академии им. П.А. Соловьева, 2018, с.14-21.

В рецензируемых научных изданиях, входящих в международную базу данных Scopus:

1. M.A. Grekov. Heat transfer measurement and heat transfer study / S.Z. Sapozhnikov, V. Yu. Mityakov, A.V. Mityakov, A.A. Gusakov, M.A. Grekov, A. V. Vincarevitch, V. V. Seroshtanov, E. R. Zaynullina // Proceedings of the 16th international heat transfer conference IHTC - (16 August 2018) Beeijing, China.

2. M. A. Grekov. Comprehensive study of flow and heat transfer at the surface of circular cooling fin» / V Yu Mityakov et al // 2017 J. Phys.: Conf. Ser. 891 012095 (СПТЭ 2017).

3. M.A. Grekov. Investigation of flow and heat transfer at the surface of a single circular cooling fin / S Z Sapozhnikov, V Y Mityakov, A V Mityakov , A A Gusakov, M A Grekov, V V Seroshtanov. // International Journal of Engineering and Technology(UAE) Volume 7, Issue 4, 2018, Pages 33-36.

4. M.A. Grekov. Investigation of the flow and heat transfer at the circular fins // Mityakov, V., Gusakov, A., Seroshtanov, V., Grekov, M. / MATEC Web of Conferences Volume 245, 5 December 2018.

В других изданиях:

1. M. А. Греков. Комплексное исследование теплообмена и течения около изотермического кольцевого ребра на цилиндре. // А.А. Гусаков, М.А. Греков, В.В. Сероштанов, А.В. Павлов / Труды Седьмой Российской национальной конференции по теплообмену. Т. 1. — М.: Издательский дом МЭИ, 2018. — 582 с.

2. М.А. Греков. Комплексное исследование течения и теплообмена у поверхности изотермического и неизотермического прямого ребра. // В.Ю. Митяков, М.А. Греков, А.А. Гусаков, В.В. Сероштанов, А.В. Башкатов, А.Н. Дымкин, А.В. Павлов, О.А. Мильто, К.С. Калмыков. / сборник докладов «XXI Школа-семинар молодых ученых и специалистов под руководством академика А.И. Леонтьева "Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках", 22-26 мая 2017, Санкт-Петербург.

25

SYNOPSIS

General description

Thesis rationale statement. Finned tubes are the core element in many industrial and other heat exchangers. The materials, shape and technology of fin formation are quite diverse. Great experience in designing, manufacturing and operating finned heat-exchange's elements has been accumulated. However, the fin's effectiveness calculation requires the setting of the surface-averaged and flow regimes of the heat transfer coefficient (HTC). It is also known that HTC changes significantly both depending on the fin surface and on the flow regime. The common accepted dependencies that consider these changes have not been received to date, and the available experimental data are contradictory. There is a need in comprehensive study of a flow and heat transfer on the surface of single fins and finned tubes. The absence or low level of such study makes the task of the thesis relevant.

Previous investigations. The analysis of literacy shows that the study material was fins and finned tubes of various configurations, which were considered successful by the study authors. The limitations in primary converters create significant limitations in study. If the imaging technologies (e.g. PIV (Particle Image Veloci-metry)) have been developed enough, the direct measurement of non-stationary heat flux has not been spread until recently, and the data of contact and non-contact thermometry could be obtained only on surfaces heated by a constant heat flux.

Application of gradient heat flux measurement (a technology developed at the Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University and based on the use of Gradient Heat Flux Sensors (GHFS) with a unique fast response time (10-8...10-9 s)), has made a significant progress. However, this technology, combined with the flow visualization, is mainly applied in the study of heat transfer at surfaces with constant temperature. There is no comprehensive study of non-stationary heat transfer and flow near non-isothermal surfaces (fins) so far.

Purpose and objectives. The aim of the study is a comprehensive, real-time

determination of flow and heat transfer parameters at the surface of single circular fins and finned tubes, based on a combination of PIV, gradient heat flux measurement and thermometry. The following main objectives need to be achieved:

- designing and making models of a cylinder with a single hollow fin that simulates an "ideal" (isothermal) circular fin and with a single solid fin of the same geometry as the hollow fin from a material with relatively low thermal conductivity (BT22 titanium);

- designing and making a model of the tube with heat conducting and «simulating» circular fins with different spacing;

- creating a test bench for the comprehensive study of flow and heat transfer at the single circular fin's surface and finned tube;

- combining, testing and debugging the comprehensive model study method for cross and non-cross flow;

- studying flow and heat transfer at the surfaces of single fin models and finned tubes at different flow regimes and yawed angles;

- experimentally evaluating the circular fins effectiveness and comparing the results with the calculations;

- giving an opinion on the applicability of the proposed approach to the study of flow and heat transfer at non-isothermal surfaces of various shapes.

Object of study. Heat transfer at the surface of tubes with circular fins.

Subject of study. Gradient heat flux measurement, thermometry and PIV as a comprehensive method to study the flow and heat transfer during flow around finned tube.

Theoretical and methodological background. The study was based on the model of flow and heat transfer at the surface of isothermal and non-isothermal circular fin and systems of such fins placed on the circular cylinder. The methods and tools of gradient heat flux measurement, thermometry and PIV previously used in various studies of the flow and heat transfer at isothermal surfaces in a single-phase convective heat transfer are used.

Information base. Monographs, articles and other data on the flow and heat transfer at the surfaces of circular fins and finned tubes are used in this paper. A special attention is paid to the studies of gradient heat flux measurement and its combinations with other methods when studying single-phase convective heat transfer.

Validity and reliability of the results. The fundamental relationships of the heat transfer theory are used in this paper. Uncertainties of geometry and regime parameters have been defined, and the uncertainties achieved during flow visualization, heat flux measurement and thermometry have been estimated. The study results are consistent with those given in the references and even contradict the traditional understanding in several cases without going beyond the physical representation.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Греков Михаил Александрович, 2020 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

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

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

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

4. 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. 1185-I 191, 1986.

5. Comparison of Heat Exchanger Designs for Aircraft Thermal Management. W. C. Reed (диссертация магистра) 2015 г.

6. Experimental Measurement of Thermal-Hydraulic Characteristics at Low Reynolds Number in Wavy Fin Heat Exchangers. Faisal Bari AI Mahmud (дисс. маг.), 2009 г.

7. T. Ota and N. Kon, Heat transfer in the separated and reattached flow on a blunt flat plate, J. Heat Transfer 96, 459-462 (1974).

8. V. Kottke, H. Blenke and K. G. Schmidt, The influence of nose section and turbulence intensity on the flow around thick plates in parallel flow, Warme- u. Stoffiibertr. 10, 159-174(1977).

9. F. E. M. Saboya and E. M. Sparrow, Local and average transfer coefficients for one-row plate fin and tube heat exchanger configurations, J. Heat Transfer 96, 265-272 (1974).

10. W. Merzkirch, Flow Visualization. Academic Press, New York (1974).

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. R. Romero-M'endez, M. Sen, K. T. Yang, and R. McCclain. 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.

16. U. Ahrend, M. Buchholz, R. Schmidt, and J. K'ohler. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. J. Y. Kim and T. H. Song. Microscopic phenomena and macroscopic evaluation of heat transfer from plate fins/circular tube assembly using naphthalene sublimation technique. International Journal of Heat and Mass Transfer, 45(16):3397-3404, 2002.

21. 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.

22. 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.

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

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

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

26. 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.

27. 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.

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

29. 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.

30. Геращенко O.A. Основы теплометрии. - Киев: Наукова думка, 1971. -

192 с.

31. Gardon R. A transducer for the measurement of heat flow rate // Journ. of Heat Transfer. - 1960. - Vol. 82. - N 4. p.396-398.

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

33. 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.

34. 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.

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

36. 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.

37. Brauer H. Wärme und Strömungstechnische Untersuchungen an quer angeströmten Rippenrohr bündeln //Chemie - Ing. - Technik. - 1961. - Bd.33. - N 5. - S. 327-335.

38. Brauer H. Wärme- und Strömungstechnische Untersuchungen an quer angeströmten Rippenrohr bündeln //Chemie - Ing. - Technik. - 1961. - Bd.53. - N 6. -S. 431-438.

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

40. Жукаускас A.A., Улинскас Р.Б., Зинявичюс Ф.В. Сопротивление формы поперечно-обтекаемых пучков оребренных труб // Тр. АН Лит. ССР. Сер. Б. - 1988. - Т.4(167). - С. 87-95.

41. Математическая модель конвективного теплообмена на оребренных поверхностях / Р.М. Петриченко, В.Д. Красильников, В.Д. Перч, М.Д.Чильдинов // Энергомашиностроение. - 1978. - № 10. - С.18-20.

42. Гусаков А.А. течение и теплообмен при обтекании цилиндра: совмещение PIV-метода и градиентной теплометрии. Автореф. дисс. канд. Наук, СПб, 2015 г.

43. Сапожников С.З., Митяков В.Ю. Митяков А.В. Основы градиентной теплометрии: СПб.: Изд-во Политехн. Ун-та, 2012. 215 с.

44. 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. DOI: 10.18721/JPM. 11214.

45. A.A. Gusakov, A.S. Kosolapov, D.M. Markovich, et al., Simultaneous PIV and gradient heat flux measurement of a circular cylinder in cross-flow, Appl. Mech. Mater. 629 (2014) 444-449.

46. Сапожников С.З., Митяков В.Ю., Митяков А.В. Градиентные датчики теплового потока. СПб.: Изд-во Политехнического ун-та, 2003. 168 с.

47. Heinz O., ilyushin B., Markovich D. Application of a PDF method for the statistical processing of experimental data // International Journal of Heat and Fluid Flow. 2004. Vol. 25. No. 5. Pp. 864-874.

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

49. 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.

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

51. Неопределённость измерения. ГОСТ 34100.1-2017/ISO/IEC Guide 981:2009.

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

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

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

55. 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. DOI: 10.18721/JPM. 11214.

56. V Yu Mityakov et al, «Comprehensive study of flow and heat transfer at the surface of circular cooling fin» 2017 J. Phys.: Conf. Ser. 891 012095.

57. S. Z. Sapozhnikov, V. Yu. Mityakov at all. Heat transfer measurement and heat transfer study / S.Z. Sapozhnikov, V. Yu. Mityakov, A.V. Mityakov, A.A. Gusakov, M.A. Grekov, A. V. Vincarevitch, V. V. Seroshtanov, E. R. Zaynullina // Proceedings of the 16th international heat transfer conference IHTC -(16 August 2018) Beeijing, China.

58. Investigation of flow and heat transfer at the surface of a single circular cooling fin S Z Sapozhnikov, V Y Mityakov, A V Mityakov , A A Gusakov, M A Grekov, V V Seroshtanov. International Journal of Engineering and Technology(UAE) Volume 7, Issue 4, 2018, Pages 33-36.

59. Mityakov, V., Gusakov, A., Seroshtanov, V., Grekov, M. Investigation of the flow and heat transfer at the circular fins MATEC Web of Conferences Volume 245, 5 December 2018 No. 06001.

60. В. Ю. Митяков, А. А. Гусаков, В. В. Сероштанов, А. В. Павлов, М. А. Греков. Исследование течения и теплообмена у поверхности одиночного кольцевого ребра. Вестник рыбинской государственной авиационной технологической академии им. П.А. Соловьева, 2018, с.14-21.

61. А.А. Гусаков, М.А. Греков, В.В. Сероштанов, А.В. Павлов. Комплексное исследование теплообмена и течения около изотермического кольцевого ребра на цилиндре. Труды Седьмой Российской национальной конференции по теплообмену. Т. 1. — М.: Издательский дом МЭИ, 2018. — 582 с.

62. В.Ю. Митяков, М.А. Греков, А.А. Гусаков, В.В. Сероштанов, А.В. Башкатов, А.Н. Дымкин, А.В. Павлов, О.А. Мильто, К.С. Калмыков. Комплексное исследование течения и теплообмена у поверхности изотермического и неизотермического прямого ребра. сборник докладов «XXI Школа-семинар молодых ученых и специалистов под руководством академика А.И. Леонтьева "Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках", 22-26 мая 2017, Санкт-Петербург.

63. 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.

64. Задачник по тепломассообмену / Ф.Ф. Цветков, Р.В. Керимов, В.И. Величко; Под ред. Ф.Ф. Цветков. - М. :Издательство МЭИ, 1997- 136с.

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

66. Гухман А.А. Теория подобия и ее приложения // Физические основы теплопередачи - ВИН ЭО: Гос. энерг. изд-во Ленинград-Москва, 1934. - Том I.

67. Исаков О.П., Тарасевич Ю.Ю., Юзюк Ю.И. Обработка и визуализация данных физических экспериментов с помощью пакета Origin / М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2009 - 136 с.

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

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

70. International vocabulary of metrology — Basic and general concepts and associated terms (VIM) / JCGM, 2008.

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

72. Сапожников С.З., Митяков В.Ю., Митяков А.В. Измерение нестационарных тепловых потоков градиентными датчиками на основе анизотропных монокристаллов висмута // ЖТФ. -2004. - Т.74. - №27. - С.114-120.

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

74. Походун А.И., Шарков А.В. Экспериментальные методы исследований. Измерения теплофизических величин. Учебное пособие. СПб: СПб ГУ ИТМО, 2006. 87 с.

75. Повх И.Л. Аэродинамический эксперимент в машиностроении. Л.: «Машиностроение», 1974.

76. Международный словарь по метрологии Основные и общие понятия и соответствующие термины / МЕЖДУНАРОДНОЕ БЮРО МЕР И ВЕСОВ ОБЪЕДИНЕННЫЙ КОМИТЕТ ПО РУКОВОДСТВАМ В ОБЛАСТИ МЕТРОЛОГИИ / НПО «Профессионал», 2010.

77. Jeffrey Ernest John McClure, "On the Planar Flow Development and Structural Loading of Cylinders with Circular Fins in Cross-Flow," PhD's thesis, University of Waterloo, 2015.

78. Юдин В. Ф. Теплообмен поперечнооребренных труб. Л.: Машиностроение, 1982.- 189 с.

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

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

81. Г. И. Левченко, И. Д. Лисейкин, A.M. Капелиович, В. К. Мигай, B.C. Назаренко. Оребренные поверхности нагрева паровых котлов. М.: Энергоатомиздат, 1986.- 168 с.

82. Справочник по теплообменникам: В 2-х т. Т.2 / С 7 Пер. с англ. под ред. О.Г. Мартыненко и др. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 352 с.

83. Сапожников С.З., В.Ю. Митяков и др. Метрология теплофизического эксперимента: учеб. пособие. - СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2017. - 108 с.

Приложение

Копии основных публикаций

-►

МЕХАНИКА

DOI: 10.18721/JPM.11214 УДК 536.2

АЭРОДИНАМИКА И ТЕПЛООБМЕН НА ПОВЕРХНОСТИ ОДИНОЧНОГО КОЛЬЦЕВОГО РЕБРА

А.А. Гусаков, М.А. Греков, В.В. Сероштанов

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Санкт-Петербург, Российская Федерация

В представленной статье предлагается объединить измерения теплового потока с тепловизионной и PIV-диагностикой для исследования обтекания воздушным потоком поверхности кольцевого ребра и теплообмена на ней. Рассматриваемое полое ребро обогревалось изнутри насыщенным паром, и таким образом изотермическая внешняя поверхность имитировала «идеальное» ребро. При этих режимах также изучены течение и теплообмен на поверхности сплошного ребра, изготовленного из титанового сплава; при этом ребро имело такую же форму и размеры, а градиентные датчики теплового потока устанавливались на его поверхности. В результате проведенных исследований получены поля скорости вблизи ребра, температурное поле на его поверхности, а также значения плотности теплового потока. Анализ полученных данных позволил получить важную информацию об аэродинамических и тепловых свойствах потока вблизи поверхности ребра. Предложенный авторами объединяющий метод позволяет исследовать поток и теплообмен на поверхности ребра в режиме реального времени.

Ключевые слова: градиентная теплометрия; PIV-диагностика; круглое ребро; тепловой поток; коэффициент теплоотдачи

Ссылка при цитировании: 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. DOI: 10.18721/JPM.11214

AERODYNAMICS AND HEAT TRANSFER OVER The SuRFACE OF A SINGLE GRCuLAR FIN

A.A. Gusakov, M.A. Grekov, V.V. Seroshtanov

Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University, St. Petersburg, Russian Federation

In the paper, it has been proposed to unite the heat flux measurements with thermal imaging and the PIV diagnostics for studies in aerodynamics and heat transfer over the surface of a circular fin. The hollow fin under consideration was heated by saturated steam from within; meanwhile the isothermal external surface simulated an ideal fin. The surface flow and heat transfer of the solid fin sized and shaped identically, and made of titanium alloy, was investigated in the same regimes. Gradient heat flux sensors were placed on the fin surface. The velocity field near the fin, the temperature field and the heat flux per unit area over its surface were obtained. The data analysis

gave an impartial piece of information. The proposed method allows examination of a flow and a heat transfer over the fin surface in the real-time processing. Key words: heat flux measurement; PIV diagnostics; circular fin; heat flux; heat transfer coefficient

Citation: A.A. Gusakov, M.A. Grekov, V.V. Seroshtanov, Aerodynamics and heat transfer over the surface of a single circular fin, St. Petersburg Polytechnical State University Journal. Physics and Mathematics. 11 (2) (2018) 151 - 164. DOI: 10.18721/JPM.11214

Введение

Основными элементами большинства рекуперативных теплообменников конвективного типа являются поперечно обтекаемые пучки труб круглого сечения, обычно с оребрением их поверхности. Структура течения вблизи оребренных труб достаточно хорошо изучена. Определяющим параметром является число Рейнольдса Re, вычисляемое по диаметру трубы и скорости внешнего потока. Для изучения гидродинамики в пакетах оребренных труб важна, прежде всего, эффективность теплообмена в первых рядах труб, где практически не сказывается влияние шага труб и типа трубного пучка [1]. Данный факт обусловил наш выбор экспериментальной модели.

Исследование течения и теплообмена на поперечно оребренных трубах наталкивается на ряд трудностей, вызванных многофакторностью задачи. Так, в работах [5, 6] описано трехмерное течение у основания ребра. Из-за различия скоростей вблизи поверхности ребра и в ядре потока, при набегании потока на стенку трубы возникает перепад давления вдоль оси трубы. Вследствие такого перепада движение жидкости совершается от центра межреберного канала к основанию ребра. Показано также, что при малой относительной высоте ребра возрастает влияние трубы как преграды для основного потока [1]. Визуализация течения в этой работе осуществлялась с помощью саже-керосиновой взвеси.

Для исследований по данной тематике распространено также применение метода пересчета поля скорости по данным измерений поля статического давления. С появлением и расширением сферы применения лазеров стал использоваться метод PIV (Particle Image Velocimetry), который основан на измерении скорости по изображе-

нию частиц и открыл новые перспективы развития данного научного направления.

В исследовании теплообмена целевой функцией служит местный коэффициент теплоотдачи а. Многочисленные работы, посвященные измерению этой величины, основаны на применении разнообразных методов в широком диапазоне геометрических условий и режимов течения. Так, метод, основанный на аналогии между процессами тепло- и массообмена [1], позволяет определять коэффициенты мас-сопереноса фотометрическим способом. Представлены картины, на которых интенсивность окраски различных участков ребра пропорциональна значению местного коэффициента теплоотдачи. Ввиду сложности идентификации экспериментальных данных, а также трудностей при реализации фотометрического метода в целом, последний дальнейшего распространения не получил.

Более распространены методики, основанные на использовании датчиков теплового потока (ДТП). В работе [1] измерения выполнялись на полностью обогреваемых моделях оребренных труб. ДТП устанавливались на ребре и на поверхности несущего цилиндра, а их положение относительно направления набегающего потока варьировалось поворотом трубы вокруг оси. Исследования местных коэффициентов теплоотдачи проводились на одиночных трубах [1, 15] и в пакетах труб [7, 9].

Результаты этих и других исследований противоречивы. Различия связаны как с количественными, так и с качественными характеристиками распределения местного коэффициента теплоотдачи. Некоторые авторы отмечают (см., например, работу [1]), что распределение коэффициента теплоотдачи по поверхности ребра неравномерно, причем у вершины ребра величина а выше, чем у основания, где образуется

более толстый пограничный слой. Отмечается также, что максимальные значения целевой функции а приходятся на азимутальный угол поворота ф = 70 — 90°. Близкие результаты получены и в работах [5, 9].

Однако выполнены исследования [6, 15] при сходных режимах, где обнаружены локальные максимумы интенсивности теплообмена у основания ребра. Кроме того, результаты работы [1] указывают на всплески интенсивности теплообмена в области Ф = 100 — 130°, что авторы объясняют отрывом пограничного слоя от поверхности трубы.

Несмотря на большое разнообразие используемых поперечно оребренных поверхностей теплообмена, на сегодняшний день отсутствует универсальный и точный метод их расчета. Это обусловлено неравномерностью распределения коэффициента теплоотдачи по поверхности ребра [1, 2, 4, 8]. Анализ представленных в литературе результатов привел нас к заключению, что совместное исследование теплообмена и обтекания ребра методами градиентной теплометрии, Р1У- и тепловизионной диагностики может дать существенно новые и полезные результаты и позволит уточнить существующие методики расчета и расчетные модели.

Цель работы — выявить влияние режима течения, высоты ребра и угла натекания на распределение и осредненные значения коэффициента теплоотдачи комплексным методом.

В данной работе представлены результаты опытов по исследованию теплообмена и течения воздушного потока вокруг одиночного кольцевого ребра, полученные впервые путем совместного применения Р1У- и тепловизионной диагностик, а также уникальной градиентной теплометрии.

Экспериментальные методики

Визуализация течения проводилась методом Р1У, тепловой поток измерялся методом градиентной теплометрии, а температуру на поверхности ребра в местах установки ГДТП измеряли с использованием тепловизионной диагностики. Объединение гра-

диентной теплометрии и PIV-диагностики нами апробировано и уже применялось в эксперименте; результаты этих измерений обобщены в работах [12, 16, 17]. Дополнительное использование тепловизионной диагностики должно дать возможность распространения этого подхода на исследования неизотермических поверхностей теплообмена.

Измерение теплового потока. На кафедре «Теплофизика энергетических установок» Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого созданы и внедрены в экспериментальные исследования градиентные датчики теплового потока (ГДТП). Уникальной особенностью этих датчиков являются их рекордно низкие значения постоянной времени; они составляют 10-8 — 10-9 с [9], что делает их практически безынерционным средством измерения для большинства задач теплообмена.

Действие ГДТП основано на поперечном эффекте Зеебека: при прохождении теплового потока через пластину, обладающую анизотропией тепло- и электрофизических свойств, в ней возникает термоэдс, нормальная вектору плотности теплового потока и пропорциональная его модулю [9, 10].

В работе использовали пять ГДТП, выполненных на основе монокристаллического висмута (рис. 1). Размеры трех из них в плане составляли 2 * 2 мм, четвертого — 4 * 7 мм, а пятого — 5 * 5 мм. Толщина всех ГДТП составляла 0,2 мм. Вольт-ваттная чувствительность ГДТП, определяемая с помощью абсолютной градуировки по джоуль-ленцеву тепловому потоку, находилась на уровне 10 мВ/Вт. Генерируемый датчиками сигнал записывался с помощью универсального вольтметра В7-78/1 производства фирмы АКИП (Россия).

PIV-диагностика. Технология PIV, реализованная системой POLIS [11], позволила бесконтактным методом визуализировать течение воздуха вблизи поверхности ребра. При PIV-диагностике (рис. 2) воздушный поток 1 засеивается частицами диаметром 2 — 3 мкм, которые подсвечиваются двойными вспышками лазерного ножа (он получен преобразованием лазер-

Рис. 1. Схематическое изображение (а) и фотография (Ь) градиентного датчика теплового потока (ГДТП): 1 — бруски висмута; 2 — подложка из слюды; 3 — места пайки висмутом; 4 — токовыводы; 5 — лавсановая изоляция

ного луча 2 с помощью системы цилиндрических линз). Цифровая камера 3 во время вспышек фиксирует изображение трассеров. Синхронную работу камеры и лазера обеспечивает блок синхронизации (на схеме не показан). Система позволяет регулировать подачу частиц (трассеров) и частоту фотографий в соответствии с режимом течения, чтобы минимизировать эффекты, связанные с действием сил инерции и плавучести.

Далее все фотографии обрабатывались

в программе АсШаИо^^ которая рассчитывает поле скорости и завихренности. Для определения перемещения частиц программа использует корреляционные методы обработки изображений. Метод РГУ позволяет регистрировать мгновенные и рассчитать осредненные по времени поля скорости в плоскости лазерного ножа. В наших опытах использовалась классическая (2В) конфигурация метода, а количество фотографий составило 1000 пар.

При РГУ-диагностике, связанной с об-

Рис. 2. Общая схема измерения скорости Р1У-методом: 1 — регистрируемый поток с трассерами; 2 — лазер и лазерный нож; 3 — цифровая камера; стрелки указывают направление потока

Рис. 3. Тепловизионные фотографии цилиндра с изотермическим ребром (а) и фрагмента неизотермического ребра (Ь); показаны прицельные температурные точки в местах установки датчиков

теканием нагретых моделей, выяснилось, что дым, генерируемый штатным устройством, непригоден [12]. Взвешенные масляные трассеры диаметром 1 — 5 мкм над нагретой поверхностью успевали испариться, и визуализация течения в пристенном слое становилась невозможной. Поэтому в качестве трассеров мы использовали твердые частицы древесного дыма из дымаря пасечника.

Для борьбы с бликами от лазера ребро и несущий цилиндр обрабатывались смесью индустриального масла, спирта и флуоресцирующего вещества родамин бО, благодаря которому лазерный луч при отражении меняет длину волны, по сравнению с падающим. Отраженный свет фильтровался

узкополосным зеленым фильтром, установленным на фотокамере.

Тепловизионная диагностика. Для измерения температуры поверхности ребра был использован тепловизор FLIR P640 (Forward-Looking Infrared). Тела, температура которых отлична от абсолютного нуля, излучают электромагнитные тепловые волны. Спектральная плотность мощности этого излучения имеет максимум, длина волны которого зависит от температуры. Положение максимума в спектре излучения сдвигается с повышением температуры в сторону меньших длин волн. Тела, нагретые до температур 40 — 100 °С, характеризуются максимумом излучения в среднем инфракрасном диапазоне. Программное обеспе-

b)

Рис. 4. Схематические представления опытной модели оребренного цилиндра: а — чертеж поперечного сечения; Ь — общий внешний вид; 1 — три ГДТП; 2, 3 — изотермическое и неизотермическое ребра, соответственно; 4 — подача пара; 5 — слив конденсата. Высота ребер Н = 20 и 60 мм; Ж — вектор набегающего воздушного потока

чение камеры позволяло одновременно измерять температуру в нескольких точках на поверхности ребер практически без задержки во времени и с точностью в 1 К. В качестве примера на рис. 3 приведены две тепловизионные фотографии.

Экспериментальная установка

Экспериментальная модель объекта исследования. Исходная модель представляла собой оребренный цилиндр диаметром 66 мм и длиной 600 мм, изготовленный из стального листа толщиной 0,1 мм. На цилиндре были смонтированы два кольцевых ребра диаметром Б = 106 мм. Первое ребро было полым и моделировало идеальное (изотермическое) ребро, а второе, выполненное из титанового сплава (теплопроводность X = 9 Вт/(м-К)), моделировало неизотермическое ребро.

Вторая модель была сделана аналогично, но внешний диаметр ребер составил Б = 186 мм. ГДТП устанавливались на поверхности ребер (рис. 4). Градуировка ГДТП на стенде, описанном в работе [10], обеспечивала достаточную точность измерения плотности теплового потока [14], при этом суммарная стандартная неопределенность не превышала 1 %.

Изнутри модель нагревалась насыщенным водяным паром при атмосферном давлении с температурой, близкой к 100 °С.

Цилиндр проворачивался вокруг оси, что позволяло перемещать ГДТП в окружном направлении. Температура на поверхности идеального ребра TW = const при всех значениях угла поворота 0 <ф< 180° (рис. 4, a); она дополнительно контролировалась тепловизором. Температура TW ребра 3 (изготовлено из титанового сплава), которая зависит от высоты ребра H и угловой координаты ф, также измерялась тепловизором.

Модель устанавливалась на поворотном столе, что позволяло менять угол р между вектором набегающего потока W и осью цилиндра.

Аэродинамическая труба. Опыты проводились в рабочей зоне дозвуковой аэродинамической трубы (рис. 5), разработанной, изготовленной и испытанной на кафедре «Теплофизика энергетических установок» СПбПУ [9].

Труба открытого типа снабжена камерой Эйфеля из оргстекла, обеспечивающей реализацию PIV-технологии. Поток воздуха от центробежного вентилятора через охладитель поступает в обратный канал. Благодаря повороту с лопатками воздух попадает в форкамеру с хонейкомбом. Конфузор обеспечивает поджатие 1 : 7; через круглое выходное отверстие диаметром 450 мм воздух подается в камеру Эйфеля и далее — на вход в вентилятор.

Рис. 5. Схематическое изображение (а) и внешний вид (Ь) аэродинамической трубы,

использованной в опытах:

1 — форкамера, 2 — камера Эйфеля, 3 — обратный канал, 4 — вентилятор, 5 — теплообменник; Ж — вектор набегающего воздушного потока

Труба имеет две особенности: использование тиристорного привода и реверс вентилятора позволяют вести опыты при скоростях, не превышающих 0,1 - 0,2 м/с;

охладитель, подключенный к системе холодного водоснабжения, обеспечивает длительную работу трубы на воздухе, практически не меняющем температуру (разброс значений составляет ±0,1 К).

Охладитель увеличивает сопротивление аэродинамической трубы на 500 Па, в результате чего падает скорость в рабочей части, поэтому он выполнен в виде сменной кассеты, которую при кратковременных опытах можно удалить и заменить кассетой с направляющими лопатками.

Для снижения турбулентности воздушного потока в трубе установлены лопаточные аппараты в поворотах, а также хоней-

комб и конфузор. Степень турбулентности не превышает 1 % во всем диапазоне скоростей [9].

Экспериментальные результаты и их обсуждение

Аэродинамические исследования были проведены для чисел Рейнольдса Яе = (0,4 — — 4,1)104. Это число выражается следующим образом:

Яе =

Ж • й

где Ж, м/с — скорость потока; й, м — диаметр несущего цилиндра; V, м2/с —кинематическая вязкость.

Определялись также местная плотность теплового потока (Вт/м2) в различных точках по высоте ребер с угловой координатой ф, местный коэффициент теплоотда-

V

Рис. б. Зависимости локального коэффициента теплоотдачи изотермического (а, с) и неизотермического (Ь, й) ребер высотой 20 мм (а, Ь) и 60 мм (с, й) от угла поворота цилиндра ф для разных значений числа Рейнольдса Яе, 104: 0,9 (1), 2,2 (2), 4,1 (3)

чи аф (Вт/(м2*К)), местное число Нуссельта Ки ф. Указанные характеристики определяются следующими формулами:

Е

% =

So • F

где Е, мВ — сигнал ГДТП; ¿0, мВ/Вт — вольт-ваттная чувствительность датчика; Б, м2 — площадь ГДТП в плане;

аф т т , т - т

где Тг, ТТ, °С — температуры потока воздуха и поверхности ребра, соответственно;

афй Ми ф ,

ф V

где й, м — диаметр несущего цилиндра; X ^, Вт/(м^К) — теплопроводность воздуха;

Nu =

ad

где а

значение аф, усредненное по вы-

соте ребра.

На рис. 6 показаны зависимости местного коэффициента теплоотдачи аф на ребрах высотой Н = 20 мм (изотермическом и неизотермическом) при разных углах ф и для различных режимов. Видно, что величина аф по высоте изотермического ребра изменяется значительно меньше, чем та же величина для ребра, выполненного из титанового сплава. Для сплошного ребра величина аф около корня оказывается при всех значениях угла ф меньше, чем для полого.

На рис. 6 также приведены зависимости

X

2.5

5.0 m/s

Рис. 7. Поля скорости около ребер высотой Н = 20 мм (а, с) и 60 мм (Ь, й) для чисел Рейнольдса Яе = 2,2104 (а,Ь) и 4,1104 (с,й)

местного коэффициента теплоотдачи для ребра высотой 60 мм. Распределения аф для идеального и неидеального ребер различаются значительнее, чем для ребра высотой 20 мм.

Видно, что эпюра распределения коэффициента теплоотдачи идеального ребра оказывается более заполненной, чем неидеального, однако у вершин ребер теплоотдача значительно ниже, чем в остальной части. Это объясняется наличием у ребра острой кромки достаточно большой ширины (5 = 10 мм). Около кромки образуется застойная зона, о чем свидетельствуют представленные выше картины течения.

Интересно отметить наличие экстремума зависимости коэффициента теплоот-

дачи а от координаты h, соответствующей месту монтажа; экстремум наблюдается при h = 20 мм как для идеального, так и для неидеального ребер. Его объяснение требует дополнительного исследования. Внимания заслуживает и тот результат, что коэффициент теплоотдачи около корня ребра из титанового сплава крайне мал: в области ф = 120 — 180° при скорости свободного потока W = 0,9 м/с а = 1 — 4 Вт/(м2-К). Это можно объяснить разницей температуры на поверхности несущего цилиндра, обогреваемого паром (100 °С), и у корня ребра (85 - 92 °С); температура последнего ниже на 8 — 15 °C ввиду значительного контактного термического сопротивления.

На рис. 7 показаны усредненные поля

с)

а./а„

1.0

0.8

0.6

b)

3

1

5 1 0 5. degrees

d)

л

+5°...+15° \ /

■i__

\~-II

X

а,/о„

1.0 •

0.8 .

0.6

_I 3

J

5 10 5. degrees

Рис. 8. Схематичное представление модели цилиндра с ребром в двух положениях (а, Ь)

и графики зависимостей безразмерного коэффициента теплоотдачи от угла в для изотермического (с) и неизотермического (сС) ребер, а также для разных значений числа Рейнольдса Яе 104: 0,9 (1), 2,2 (2), 4,1 (3)

скорости воздушного потока над ребрами различной высоты. Векторы показывают направление потока в сечении светового ножа.

Полученные картины течения для ребра высотой H = 20 мм достаточно хорошо согласуются с результатами исследований работы [1]. Объяснить распределение местного коэффициента теплоотдачи по высоте ребра лишь на основе осредненных картин течения практически невозможно. Для объяснения различий в поведении величины а для идеального и неидеального ребер необходима постановка эксперимента, обеспечивающая единовременную запись картин течения, значений плотности теплового потока и температуры. Методика совместного использования теплометрии и Р1У-диагностики разработана и применена в работе [5].

Визуализация течения около ребра высотой 60 мм на рис. 7, Ь, й иллюстрирует зону застоя у вершины ребра и вихрь на середине его высоты. Можно сделать вывод,

что форма пограничного слоя в этих случаях имеет общую структуру течения, что соответствуют результатам работы [1]. Наши РГУ-исследования для ребра высотой 60 мм показали наличие вихря, представленного на рис. 8. Максимум теплосъема достигается на координате к = 20 мм; он обусловлен возвратным вихрем, образованным при отрыве потока [3, 17].

На следующем этапе работы изучалось влияние угла атаки в между вектором скорости воздушного потока Ж и осью цилиндра на характеристики обтекания воздухом оребренного цилиндра. Рассматривалось ребро высотой 20 мм под углом атаки в = 5 — 15°, в том же диапазоне чисел Рей-нольдса [15].

Обтекание под углом относительно горизонтальной плоскости XX в декартовой системе координат несимметрично. Цилиндр наклоняли под отрицательным углом атаки: в = —(5 _ 15)° (рис. 8). Таким образом были измерены коэффициенты теплоотдачи на обеих сторонах ребра, что по-

7

—I И М1 I

0 0.4 0.6 0.8 111/$

Ь) )

с)

►

а, ТОУ(т2К) ^^^^^^

« и М |И I»

Рис. 9. Поля скорости вблизи изотермического ребра для Яе = 0,4-104 при различных углах атаки в (а), а также распределения коэффициента теплоотдачи а на верхней (Ь) и нижней (с) поверхностях неизотермического ребра при в = 5° и Яе = 2,1 104

зволило усреднить их по всей поверхности теплообмена.

На рис. 8 видно, что вклад среднего коэффициента теплоотдачи на нижней поверхности (II) больше, чем на верхней (I), и увеличивается с ростом угла атаки. При возрастании скорости потока наблюдается противоположная картина: наибольший вклад в средний коэффициент теплоотдачи вносит верхняя поверхность ребра (I). Получено также распределение местного коэффициента теплоотдачи по высоте изотермического и неизотермического ребер.

Анализ полей скорости, полученных при помощи Р1У-диагностики, позволяет утверждать, что при изменении угла в зоны застоя и зоны с отрывными вихрями смещаются (рис. 9) с верхней поверхности на нижнюю и наоборот, а в сумме дают примерно одинаковый средний коэффициент теплоотдачи.

На рис. 9, Ь, с показаны также распределения коэффициента теплоотдачи по высоте неизотермического ребра в диапазоне измерений ГДТП (5, 10 и 15 мм от корня ребра) для угла в = 5° и числа Рейнольдса Яе = 2,1-104. Распределения показаны отдельно для верхней (Ь) и нижней (с) поверхностей ребра, так как при в * 0 оно несимметрично.

Заключение

На основе двух специально изготовленных моделей проведено всестороннее исследование аэродинамических и тепло-метрических характеристик металлического цилиндра, снабженного ребрами, в условиях его внутреннего подогрева и обтекания воздушным потоком. В результате проведенных измерений получены поля скорости потока вблизи изотермического и неизотермического ребер, температурное поле на его поверхности, а также значения

плотности теплового потока. Анализ этих данных позволил получить важную информацию об аэродинамических и тепловых свойствах потоков вблизи поверхности ребра. Основные итоги проделанного исследования следующие:

выявлено влияние высоты ребра на структуру потока и распределение коэффициента теплоотдачи;

показано, что на поверхности изотермического ребра при изменении угла атаки средний коэффициент теплоотдачи практически не изменяется во всем исследованном диапазоне чисел Рейнольдса, тогда как на поверхности неизотермического ребра его увеличение достигает 6,5%;

для значения числа Рейнольдса Яе = 4000 средний коэффициент теплоотдачи на верхней поверхности ребра больше, чем на нижней, и он увеличивается с ростом угла атаки в (в случае в > 0). Когда скорость набегающего потока растет, наибольший средний коэффициент теплоотдачи достигается на нижней поверхности ребра;

в области углов поворота цилиндра Ф = 120 — 240° коэффициент теплоотдачи резко снижается для всех режимов.

Впервые показана возможность совместного применения градиентной те-плометрии, Р1У- и тепловизионной диагностики для измерения коэффициента теплоотдачи на неизотермической поверхности. Такой подход позволяет исследовать поток и теплообмен на поверхности ребра в режиме реального времени и открывает новые возможности для аэродинамических и теплометрических исследований. Например, в дальнейшем следует рассмотреть аналогичную модель, содержащую сегментные ребра, в частности раскрытые на угол ф = 120 — 240° по пути большей дуги.

1. Письменный Е.Н. Теплообмен и аэродинамика пакетов поперечно оребренных труб. Киев: Альтерпрес, 2004. 244 с.

2. Hamakawa Н., Matsuoka Н., Hosokai K., Nishida E., Kurihara E. Characteristics of aerodynamics sound radiated from two finned

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

cylinders // Proc. of the ASME-2014 "Pressure Vessels and Piping Conf.". Anaheim, California, USA: ASME, 2014. Vol. 4. P. V004T04A073.

3. Bansal M. Experimental and numerical investigation of three equispaced cylinders in cross-flow. Master's thesis. Waterloo, Ontario, Canada:

University of Waterloo, 2014.

4. Лрейцер Г.А. О некоторых проблемах создания высокоэффективных трубчатых теплооб-менных аппаратов // Новости теплоснабжения. 2004. № 5 (45). С. 37-43.

5. легкий В.М., Жолудов Я.С., Геращенко O.A. Локальный теплообмен одиночной поперечно омываемой круглой трубы с внешним кольцевым оребрением // Инженерно-физический журнал. 1976. Т. 30. № 2. С. 274-280.

6. Жукаускас А.А., улинскас Р.В., Зинявичюс Ф.В. Местные характеристики теплоотдачи и обтекания шахматных пучков ребристых труб // Труды АН Литовской ССР. Сер. Б. 1984. Т. 2. № 141. С. 46-53.

7. McClure Jeff.E.J. On the planar flow development and structural loading of cylinders with circular fins in cross-flow. Waterloo, Ontario, Canada: University of Waterloo, 2015.

8. Webb R.L., №e-hyun Kim. Principles of enhanced heat transfer. New York: Taylor&Francis Group, 2005.

9. Сапожников С.З., Митяков В.Ю., Митя-ков А.В. Градиентные датчики теплового потока. СПб.: Изд-во Политехнического ун-та, 2003. 168 с.

10. heinz O., Ilyushin B., Markovich D.

Application of a PDF method for the statistical processing of experimental data // International Journal of Heat and Fluid Flow. 2004. Vol. 25. No. 5. Pp. 864-874.

11. Gusakov A.A., Kosolapov A.S., Markovich D.M., Mityakov A.V., Mityakov V.Y.,

Mozhayskiy S.A., Nebuchinov A.S., Sapozhnikov

S.Z. Simultaneous PIV and gradient heat flux measurement of a circular cylinder in cross-flow // Appl. Mech. Mater. 2014. Vol. 629. Pp. 444-449.

12. Походун А.И. Экспериментальные методы исследований. Погрешности и неопределенности измерений. СПб.: Изд. СПбГУ ИТМ, 2006. 112 с.

13. Sparrow E.M., Gorman J.M., Friend K.S., Abraham J.P. Flow regime determination for finned heat exchanger surfaces with dimples/protrusions// Numerical Heat Transfer. Part A. Applications. 2013. Vol. 63. No. 4. Pp. 245-256.

14. Samie F., Sparrow E.M. Heat transfer from a yawed finned tube // Journal of Heat Transfer. 1986. Vol. 108. No. 2. Pp. 479-482.

15. Sumner D. Flow above the free end of a surface-mounted finite-height circular cylinder // Journal of Fluids and Structures. 2013. Vol. 43. Pp. 41-63.

16. Mityakov A., Babich A., Bashkatov A., Gusakov A., Dymkin A., Zainullina E., Sapozhnikov S., Mityakov V., Seroshtanov V. Investigating heat transfer augmentation using gradient heat flux measurement and PIV method // MATEC Web of Conf. 2017. 3rd Siberian Thermophysical Seminar. 10 July 2017. STS. 2017. Vol. 115. No. 02006, Pp. 1-4.

17. Mityakov A., Mityakov V., Sapozhnikov S., Gusakov A., Bashkatov A., Seroshtanov V., Zainullina E., Babich A. Hydrodynamics and heat transfer of yawed circular cylinder // Int. J. Heat Mass Transf. 2017. Vol. 115. Part A. December. Pp. 333-339.

Статья поступила в редакцию 27.02.2018, принята к публикации 03.05.2018.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ

ГуСАКОВ Андрей Александрович — кандидат технических наук, ассистент кафедры «Теплофизика энергетических установок» Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого, Санкт-Петербург, Российская Федерация.

195251, Российская Федерация, г. Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29 [e-mail]

ГРЕКОВ Михаил Александрович — ассистент кафедры «Теплофизика энергетических установок» Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого, Санкт-Петербург, Российская Федерация.

195251, Российская Федерация, г. Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29 [e-mail]

СЕРОШТАНОВ Владимир Викторович — ассистент кафедры «Теплофизика энергетических установок» Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого, Санкт-Петербург, Российская Федерация.

195251, Российская Федерация, г. Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29 [e-mail]

REFERENCES

[1] E.N. Pismennyy, Teploobmen i aerodinamika paketov poperechno-orebrennykh trub [Heat exchange and aerodynamics of packages of cross-finned tubes], Alterpres, Kiev, 2004.

[2] H. Hamakawa, H. Matsuoka, K. Hosokai, et al., Characteristics of aerodynamics sound radiated from two finned cylinders, In: Proc. of the ASME 2014, Pressure Vessels and Piping Conference, Anaheim, California, USA, ASME. (4) (2014) V004T04A073.

[3] M. Bansal, Experimental and numerical investigation of three equispaced cylinders in cross-flow, Master's thesis, University of Waterloo, Waterloo, Ontario, Canada, 2014.

[4] G.A. Dreytser, O nekotorykh problemakh sozdaniya vysokoeffektivnykh trubchatykh teploobmennykh apparatov [On some problems of creating high-efficiency tubular heat exchangers], Novosti teplosnabzheniya. (5(45)) (2004) 37-43.

[5] V.M. Legkii, Ya.S. Zholudov, O.A. Gerashchenko, Local heat exchange of a single transversely round tube with external circular fins, Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 30 (2) (1976) 178-182.

[6] A.A. Zhukauskas, R.V. Llinskas, F.V. Zinyavichyus, Mestnyye kharakteristiki teplootdachi i obtekaniya shakhmatnykh puchkov rebristykh trub [Local characteristics of heat transfer and flow around the staggered banks of finned tubes], Trudy AN Lit. SSR, Ser. B. 2 (141) (1984) 46-53.

[7] Jeff.E.J. McClure, On the planar flow development and structural loading of cylinders with circular fins in cross-flow, University of Waterloo, Waterloo, Ontario, Canada, 2015.

[8] R.L. Webb, Nae-Hyun Kim, Principles of enhanced heat transfer, Taylor&Francis Group, New York, 2005.

[9] S.Z. Sapozhnikov, V.Yu. Mityakov, A.V.

Received 27.02.2018, accepted 03.05.2018.

Mityakov, Gradiyentnyye datchiki teplovogo potoka [Gradient heat flux sensors], Izd-vo SPbSPU, St. Petersburg, 2003.

[10] O. Heinz, B. Ilyushin, D. Markovich, Application of a PDF method for the statistical processing of experimental data, International Journal of Heat and Fluid Flow. 25 (5) (2004) 864-874.

[11] A.A. Gusakov, A.S. Kosolapov, D.M. Markovich, et al., Simultaneous PIV and gradient heat flux measurement of a circular cylinder in cross-flow, Appl. Mech. Mater. 629 (2014) 444-449.

[12] A.i. Pokhodun, Eksperimentalnyye metody issledovaniy. Pogreshnosti i neopredelennosti izmereniy [Experimental methods of research. Errors and uncertainties in measurements], SPbGU ITM, St. Petersburg, 2006.

[13] E.M. Sparrow, J.M. Gorman, K.S. Friend, J.P. Abraham, Flow regime determination for finned heat exchanger surfaces with dimples/protrusions, Numerical Heat Transfer, Part A: Applications. 63(4) (2013). 245-256.

[14] F. Samie, E.M. Sparrow, Heat transfer from a yawed finned tube, Journal of Heat Transfer. 108 (2) (1986) 479-482.

[15] D. Sumner, Flow above the free end of a surface-mounted finite-height circular cylinder, A review, Journal of Fluids and Structures. 43 (2013) 41-63.

[16] A. Mityakov, A. Babich, A. Bashkatov, et

al., Investigating heat transfer augmentation using gradient heat flux measurement and PIV method, MATEC Web of Conferences, 2017, 3rd Siberian Thermophysical Seminar, STS 2017, 115 (10 July) (2017), No. 02006, 1-4.

[17] A. Mityakov, V. Mityakov, S. Sapozhnikov, et al., Hydrodynamics and heat transfer of yawed circular cylinder, Int. J. Heat Mass Transf. 115A (December) (2017) 333-339.

THE AUTHORS

GuSAKOV Andrey A.

Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University

29 Politechnicheskaya St., St. Petersburg, 195251, Russian Federation

[e-mail]

GREKOV Mikhail A.

Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University

29 Politechnicheskaya St., St. Petersburg, 195251, Russian Federation

[e-mail]

SEROSHTANOV Vladimir V.

Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University

29 Politechnicheskaya St., St. Petersburg, 195251, Russian Federation

[e-mail]

© Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, 2018

MECHANICS

AERODYNAMICS AND HEAT TRANSFER OVER The SuRFACE OF A SINGLE OIRCuLAR FIN

A.A. Gusakov, M.A. Grekov, V.V. Seroshtanov

Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University, St. Petersburg, Russian Federation

In the paper, it has been proposed to unite the heat flux measurements with thermal imaging and the PIV diagnostics for studies in aerodynamics and heat transfer over the surface of a circular fin. The hollow fin under consideration was heated by saturated steam from within; meanwhile the isothermal external surface simulated an ideal fin. The surface flow and heat transfer of the solid fin sized and shaped identically, and made of titanium alloy, was investigated in the same regimes. Gradient heat flux sensors were placed on the fin surface. The velocity field near the fin, the temperature field and the heat flux per unit area over its surface were obtained. The data analysis gave an impartial piece of information. The proposed method allows examination of a flow and a heat transfer over the fin surface in the real-time processing.

Key words: heat flux measurement; PIV diagnostics; circular fin; heat flux; heat transfer coefficient

Citation: A.A. Gusakov, M.A. Grekov, V.V. Seroshtanov, Aerodynamics and heat transfer over the surface of a single circular fin, St. Petersburg Polytechnical State University Journal. Physics and Mathematics. 11 (2) (2018) 138 - 148. DOI: 10.18721/JPM.11214

Introduction

The principal elements of most convective heat exchangers are circular tube bundles in cross-flow, typically with finned surfaces. The structure of the flow near finned tubes has been well-studied. The Reynolds number Re, calculated by the diameter of the tube and the velocity of the external flow, is the parameter governing the flow structure. Heat transfer efficiency in the first rows of tubes, where there is practically no effect from the tube pitch and the type of tube bundle, is of primary importance for studying hydrodynamics in finned tube bundles [1]. We selected our experimental model based on this consideration.

Study of flow and heat transfer in cross-fin tubes is a multifactorial problem associated with a number of difficulties. For example, [5, 6] described three-dimensional flow at the base of a fin. A pressure drop occurred along the tube axis in the flow over the tube wall because of the difference in velocities near the fin surface and in the core of the flow. Due to such a drop, the fluid moved from the center of

the channel between the fins to the base of the fin. It was also established that the influence of the tube as a barrier blocking the main flow increased if the height of the fin was relatively small [1]. In this study, the flow was visualized using a kerosene soot suspension.

Recalculating the velocity field by the measurements of the static pressure field is also a widespread method of studies on this subject. Particle Image Velocimetry (PIV), introduced with the expansion of laser technologies, is based on measuring the velocity of the particle image; the method has opened up new opportunities for the development of this field.

The local heat transfer coefficient a serves as the objective function in heat transfer studies. Numerous papers have been dedicated to measuring this quantity, based on various methods with a wide range of geometric conditions and flow regimes. For example, a method based on the similarity between the processes of heat and mass transfer [1] allowed to determine the mass transfer coefficients by the photometric method. The coloring intensity of different

regions of the fin in the images presented was proportional to the local heat transfer coefficient. Since interpreting experimental data is complicated, and there are other difficulties in using the photometric method as a whole, it was not developed any further.

More popular methods involve using heat flux sensors (HFS). The measurements in [1] were performed on fully heated models of finned tubes. HFS were mounted on the fin and on the surface of the supporting cylinder, and their position relative to the direction of the incident flow was varied by rotating the tube around the axis. Studies of local heat transfer coefficients were carried out for single tubes [1, 15] and for tube banks [7, 9].

The findings of these and other studies are contradictory, with discrepancies in both quantitative and qualitative characteristics of the local heat transfer coefficient distribution. Some authors note (see, for example, Ref. [1]) that the distribution of the heat transfer coefficient over the fin surface is non-uniform, and the coefficient a is higher near the tip of the fin than at the base, where a thicker boundary layer is formed. It was also found that the maximum values of the objective function a fall on the azimuthal rotation angle 9 = 70 — 90°. Similar results were obtained in [5, 9].

However, other studies [6, 15] found local maxima of the heat transfer intensity at the base of the fin in similar regimes. In addition, the results obtained in [1] indicate that heat transfer intensity peaks exist in the region 9 = 100 — 130°, which the authors attribute to the separation of the boundary layer from the surface of the tube.

Despite the wide variety of cross-fin heat transfer surfaces used, there is currently no universal and accurate method for simulating these surfaces. This is because the distribution of the heat transfer coefficient over the surface of the fin is non-uniform [1, 2, 4, 8]. Analysis of the results presented in the literature led us to conclude that a combined study of heat transfer and flow around the fin by gradient heat flux measurement, PIV and thermal imaging diagnostics can yield substantially new and useful results and allow to refine the existing simulation methods and computational models.

The goal of this study was to explore the effect of the flow regime, the height of the fin and the flow incidence angle on the distribution and the averaged values of the heat transfer coefficient by a hyphenated method.

We present the results of experiments on heat transfer and air flow around a single circular fin, obtained for the first time by combined use of PIV and thermal imaging diagnostics, as well as by the unique method of gradient heat flux measurement.

Experimental procedure

The flow was visualized by the PIV method, the heat flux was measured by gradient heat flux measurement, and the temperature at the surface of the fin in the locations where the GHFS were mounted was measured by thermal imaging diagnostics. We have already tested the combination of gradient heat flux measurement and PIV diagnostics and used it in experiments; the results of these measurements were generalized in [12, 16, 17]. Complementing these methods with thermal imaging diagnostics should allow to extend this approach to studies of non-isothermal heat transfer surfaces.

Heat flux measurements. Gradient heat flow sensors (GHFS) have been developed and introduced into experimental studies at the Department of Thermophysics of Power Units of Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University. Record-low time constants ranging from 10-8 to 10-9 s are a unique feature of these sensors [9], making them practically inertia-free devices for measurements in most heat transfer problems.

The operating principle of the GHFS is based on Seebeck's transverse effect: as a heat flux passes through a plate with anisotropic thermal and electrophysical properties, a thermo-emf normal to the heat flux vector and proportional to its magnitude evolves in the plate [9, 10].

Five GHFS made of a single crystal of bismuth were used in the study (Fig. 1). Three of them had the dimensions of 2 * 2 mm, the fourth 4 * 7 mm, and the fifth 5 * 5 mm. All GHFS were 0.2 mm thick. The volt-watt sensitivity of the GHFS, determined using absolute calibration by the Joule — Lenz heat flux, was about 10 mV/W. The signal generated

Fig. 1. Schematic model (a) and photograph (b) of the gradient heat flux sensor (GHFS): bismuth strips 1; mica substrate 2; bismuth solder joints 3; current outputs 4; lavsan spacers 5

by the sensors was recorded with a V7-78/1 digital voltmeter by AKIP (Russia).

PIV diagnostics. PIV technology in the POLIS system [11] allowed to visualize the airflow near the surface of the fin by a non-contact method. PIV (Fig. 2) involves seeding air flow 1 with tracer particles 2 — 3 ^m in diameter, illuminated by double flashes of a laser sheet (obtained by reshaping laser beam 2 with a system of cylindrical lenses). Digital camera 3 captures images of the tracers during flashes. The camera is synchronized with the laser (the synchronization unit is not shown in the figure). The system allows to adjust the

supply of tracer particles and the frequency with which photographs are taken in accordance with the flow regime in order to minimize the effects due to inertia and buoyancy forces.

Next, the photographs were processed with the ActualFlow software, which calculates the velocity and vorticity fields. The software uses correlation methods of image processing to determine the motion of particles. The PIV method allows to detect the instantaneous velocity fields and calculate the time-averaged ones in the plane of the laser sheet. The classical (2D) configuration of the method was used in our experiments, and the number of

Fig. 2. General schematic of PIV measurements: detected flow with tracers 1; laser and laser sheet 2; digital camera 3; arrows indicate the direction of the flow

photographs was 1000 pairs.

It was found for PIV of the flow around heated models that the smoke generated by a standard device was not suitable [12]. Weighted oil tracers 1 — 5 pm in diameter had time to evaporate above the heated surface, making it impossible to visualize the flow in the wall layer. For this reason, we used solid particles of wood smoke from a fog machine as tracers.

To suppress glare from the laser, the fin and the supporting cylinder were treated with a mixture of industrial oil, alcohol and fluorescent rhodamine 6G which makes the reflected laser beam change the wavelength compared to the incident one. Reflected light was filtered by a narrow-band green filter mounted on the camera.

Thermal imaging. A FLIR P640 infrared thermal camera was used to measure the surface temperature of the fin. Bodies whose temperature is different from absolute zero emit thermal electromagnetic radiation. The spectral power density of this radiation has a maximum whose wavelength depends on the temperature. The position of the maximum in the emission spectrum shifts towards smaller wavelengths with increasing temperature. Bodies heated 40 — 100°C are characterized by a radiation maximum in the mid-infrared range. The camera software allowed to simultaneously measure the temperature at several points on the surface of the fins with practically no time delay and with an accuracy of 1 K. As an

example, Fig. 3 shows two thermal images.

Experimental setup

Experimental models. The initial model was a finned cylinder with a diameter of 66 mm and a length of 600 mm, made of a 0.1 mm thick steel sheet. Two circular fins with the diameter D = 106 mm were mounted on the cylinder. The first fin was hollow and simulated an ideal (isothermal) fin, and the second, made of a titanium alloy (thermal conductivity X = 9 W/(m-K)), simulated a non-isothermal fin.

The second model was constructed similarly, but the outer diameter of the fins was D = 186 mm. The GHFS were installed on the surface of the fins (Fig. 4). The GHFS were calibrated at the test bench described in [10], providing sufficient accuracy for measuring the heat flux per unit area vector [14], while the combined standard uncertainty did not exceed 1 %.

The model was heated from within by saturated steam at atmospheric pressure with a temperature close to 100°C. The cylinder was rotated around the axis so that the GHFS could be moved circumferentially. The temperature at the surface of the ideal fin was Tu/ = const for all values of the rotation angle 0 < 9< 180 ° (Fig. 4, a); it was additionally controlled by the thermal imager. The temperature TW of fin 3 (made of a titanium alloy), which depends on the fin height H and the angular coordinate 9, was also measured by the thermal imager.

Fig. 3. Thermal images of the cylinder with an isothermal fin (a) and a fragment of a non-isothermal fin (b); the temperature points in the locations where the sensors were mounted are shown

Fig. 4. Schematics of the experimental model of a finned cylinder: cross-sectional drawing a; overall appearance b; three GHFS 1; isothermal and non-isothermal fins 2 and 3, respectively; steam inlet 4; condensate outlet 5. The height of the fins is H = 20 and 60 mm; W is the incident airflow vector

The model was mounted on a turntable allowing to change the angle p between the incident airflow vector W and the cylinder axis.

Wind tunnel. The experiments were carried out in the subsonic wind tunnel (Fig. 5) developed, built and tested at the Department of Thermophysics of Power Units of the Polytechnic University [9].

The open-type tunnel is equipped with an Eiffel camera made of acrylic glass, which made it possible to use the PIV. The air flow from the centrifugal blower enters the return passage through the cooler. The turning vanes direct the air into a settling chamber with a honeycomb. The contraction cone has a 1 to 7 contraction ratio; the air is fed into the

Eiffel chamber through a circular outlet with a diameter of 450 mm and then to the blower inlet.

The tunnel has two specific features: a thyristor drive and a reversed fan allow to conduct experiments at velocities that do not exceed 0.1 — 0.2 m/s;

a cooler connected to the cold-water supply system maintains an almost constant air flow temperature in the tunnel (the spread in the values is ±0.1 K).

The cooler increases the resistance of the wind tunnel by 500 Pa, decreasing the velocity in the operating area as a result; for this reason, the cooler is a plate that can be removed and replaced with a guide vane for short-term experiments.

Fig. 5. Schematic layout (a) and appearance (b) of the wind tunnel used in the experiments:

settling chamber 1, Eiffel chamber 2, return passage 3, blower 4, heat exchanger 5;

incident airflow vector W

Turning vanes, a honeycomb and a contracting cone were installed in bends to reduce turbulence of the airflow in the tunnel. The degree of turbulence did not exceed 1 % over the entire velocity range [9].

Experimental results and discussion

Aerodynamic studies were carried out for Reynolds numbers Re = (0.4 - 4.1)-104. This number is expressed as follows:

Re =

W • d

where W, m/s, is the flow velocity; d, m, is the diameter of the supporting cylinder; v, m2/s is the kinematic viscosity.

We also found the local heat flux per unit area q9 (W/m2) at different points along the height of the fins with the angular coordinate 9, the local heat transfer coefficient % (W/(m2-K)) and the local Nusselt number Nu 9. These characteristics are determined by the following formulae:

q Sn • F

where E, mV, is the GHFS signal; S0, mV/W, is the volt/watt sensitivity of the sensor; F, m2, is the plan area of the GHFS;

a9 =-1-,

9 T - T '

f w

where Tf and Tw, °C, are the temperatures of the air flow and the fin surface, respectively;

a9d

Nu 9 = -9

9 X

f

where d, m, is the diameter of the supporting cylinder; Xf, W/(m-K), is the thermal conductivity of air;

ad

Nu = ■

Xt

where a is the value of a9, averaged over the fin height.

Fig. 6 shows the dependences of the lo-

cal heat transfer coefficient

a9

on the fins

of height H = 20 mm (isothermal and non-isothermal) at different angles 9 and for different regimes. Apparently, the quantity a9

changes significantly less along the height of an isothermal fin than the same quantity for fin made of a titanium alloy. The value of near the root turns out to be less for a solid fin than for a hollow one for all values of the angle 9.