Пространственно-временная структура потока в каналах с элементами дискретной шероховатости на ламинарном и переходном режимах течения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.05, кандидат технических наук Паерелий, Антон Александрович

• Паерелий, Антон Александрович
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Паерелий, Антон Александрович

Введение.

Глава 1. Проблема описания структуры ламинарных отрывных течений.

Глава 2. Экспериментальное оборудование и методика исследований.

2.1. Экспериментальная установка.

2.2. Рабочий участок, объекты исследования и условия проведения экспериментов.

2.3. Методика проведения исследований и средства измерения.

Глава 3. Визуализация течения в канале с единичным препятствием и системой препятствий.

3.1. Обтекание единичного препятствия.

3.2. Обтекание системы двух препятствий.

Глава 4. Термоанемометрические измерения параметров течения за выступом и системой из двух выступов.

4.1. Параметры течения в канале за единичным выступом

4.2. Параметры течения в канале за системой из двух выступов.

Глава 5. Структура потока за выступом в канале на основе

Р1У-измерений мгновенных полей скорости.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Пространственно-временная структура потока в каналах с элементами дискретной шероховатости на ламинарном и переходном режимах течения»

В последние годы наблюдается существенный рост тепловой нагрузки на элементы энергетического оборудования и аппаратуры различного назначения. Кроме того, наметилась тенденция к снижению габаритов теплообменных аппаратов и появилась потребность в компактных и ультракомпактных теплообменниках для охлаждения элементов электроники, радарных устройств, лопаток турбин и т.д. Одновременно становятся более жесткими требования к обеспечению температурного режима работы соответствующих агрегатов и устройств. В этих условиях особенно важными становятся вопросы интенсификации теплообмена, в том числе в каналах малого гидравлического диаметра, в которых чаще всего реализуется ламинарный и (или) переходный режимы течения теплоносителя. Именно на этих режимах использование интенсификаторов теплообмена наиболее эффективно (А.И.Леонтьев, Ю.Ф.Гортышов, В.В.Олимпиев, И.А.Попов, Р.М.1Л§гаш, В.И.Терехов, и др.).

Наибольший прирост теплоотдачи по отношению к увеличению затрат энергии на прокачку при номинально ламинарном течении теплоносителя получен для каналов с элементами дискретной шероховатости в виде поперечных выступов. Данные об интенсификации теплообмена в таких каналах основаны, главным образом, на изучении их интегральных характеристик. Детальных исследований пространственно временной структуры течения в каналах с элементами дискретной шероховатости явно недостаточно.

Обтекание элементов дискретной шероховатости, сопровождается, как правило, отрывом потока, который при некотором сочетании режимных параметров может инициировать более ранний переход к турбулентному режиму течения в канале. Именно с турбулизацией потока многие исследователи связывают существенную интенсификацию теплообмена в дискретно-шероховатых каналах. Изучению проблемы ламинарно-турбулентного перехода в отрывных течениях посвящено значительное количество исследований (А.В.Довгаль, В.В.Козлов, Б.Ю.Занин, А.М.Сорокин, А.В.Бойко, В.Р.Агша1у, C.P.Haggmark и др.), однако многое на сегодняшний день остается невыясненным. В литературе практически отсутствуют данные о влиянии формы, размеров и взаимного положения элементов дискретной шероховатости на положение границ ламинарно-турбулентного перехода, о характеристиках потока в переходной области, последствиях переходных процессов с позиций эффективности теплообмена. Неясно, при каких условиях происходит ламинарно-турбулентный переход в пределах отрывной области, а при каких — ниже точки присоединения потока, и какое влияние оказывают эти явления на основную область течения в интенсифицированных каналах. Крайне мало результатов исследований динамики поведения областей отрыва потока за интенсификаторами теплообмена различной формы на ламинарном и переходном режимах течения, практически отсутствуют результаты визуализации потока в этих условиях. Нет данных о критических значениях параметров подобия, при которых элементы дискретной шероховатости инициируют неустойчивость ламинарного течения и переход к турбулентному режиму.

Таким образом, экспериментальное изучение пространственно-временной структуры потока, систематизация полученной информации и выявление физических механизмов, приводящих к интенсификации теплообмена в каналах с элементами дискретной шероховатости на номинально ламинарном режиме течения, является на сегодняшний день весьма актуальной задачей.

Несмотря на очевидный прогресс в развитии методов моделирования / 1 сложных течений, наиболее плодотворным является комплексный подход к решению этой задачи, включающий визуализацию потока в сочетании с комбинированными количественными измерениями на основе современных методов и средств диагностики.

Цель работы — развитие научных представлений о гидродинамических процессах в каналах с элементами дискретной шероховатости на ламинарном и переходном режимах течения на основе детального экспериментального исследования пространственно-временной структуры потока.

Научная новизна.

1. Создана оригинальная экспериментальная установка, позволяющая выполнять комплексные исследования структуры потока в каналах с элементами дискретной шероховатости при номинально ламинарном режиме течения в широком диапазоне чисел Рейнольдса.

2. На основе экспериментальных исследований, включающих визуализацию течения, термоанемометрические измерения параметров 4 потока и Р1У-измерения мгновенных векторных полей скорости потока выявлены особенности пространственно временной и вихревой структуры потока за выступом и системой выступов на ламинарном и переходном режиме течения.

3. Обнаружен ячеистый характер течения в рециркуляционных областях с наличием зон движения в трансверсальном направлении. Установлен диапазон чисел Рейнольдса, в котором наблюдается существенное искривление средней линии присоединения потока по ширине канала.

4. Выявлены закономерности изменения осредненных характеристик течения в исследуемом диапазоне чисел Рейнольдса: продольного размера рециркуляционной области, интегрального временного масштаба вихревых структур.

5. Определены критические значения чисел Рейнольдса, при которых отрыв потока за элементами дискретной шероховатости вызывают потерю устойчивости и переход к турбулентному режиму течения в канале. Показано влияние на этот параметр взаимного положения выступов.

Практическая значимость.

Полученные результаты позволяют глубже понять физические механизмы, приводящие к интенсификации теплообмена в дискретно шероховатых каналах на номинально ламинарном режиме течения за счет турбулизации потока и установить режимные параметры, определяющие границы этих явлений. Они дают возможность более обосновано подходить к выбору параметров элементов дискретной шероховатости и содержат информацию, необходимую для верификации методов моделирования течения и теплообмена в таких каналах и определения границ их применения.

Основные результаты работы вошли в отчеты по грантам Президента РФ (НШ-8574.2006.8; НШ-4334.2008.8), РФФИ (05-02-16263; 07-08-00330;), по контракту с ФАНИ (№02.516.11.6025), по аналитической ведомственной целевой программы Минобрнауки ("Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 годы)").

На защиту выносится:

1. Экспериментальная установка для комплексного исследования пространственно-временной структуры течения в дискретно шероховатых каналах на ламинарном и переходном режимах течения.

2. Результаты комплексных экспериментальных исследований течения в канале с элементами дискретной шероховатости на номинально ламинарном режиме ' течения, включающих визуализацию течения, термоанемометрические измерения параметров потока и РГУ-измерения мгновенных векторных полей скорости потока.

3. Экспериментальные данные о пространственно-временной и вихревой структуре потока за выступом и системой выступов в канале, включая наличие ячеистого характера течения в рециркуляционной области и формирование крупномасштабных вихревых структур при потере устойчивости оторвавшегося сдвигового слоя, в том числе при варьировании взаимного положения препятствий, а также данные о пространственных временных масштабах течения.

4. Результаты определения критических значений числа Рейнольдса, при котором в канале с элементами дискретной шероховатости начинается более ранний по сравнению с гладким каналом переход к турбулентному режиму течения и влияния на эти эффекты размеров и взаимного положения препятствий.

Личный вклад автора.

Автором спроектирована и изготовлена специализированная экспериментальная установка для проведения исследований, разработано устройство визуализации течения, освоены и апробированы методы термоанемометрических измерений и техника Р1У. Им проведены все экспериментальные исследования, обработаны и совместно с научным руководителем, д.т.н. В.М.Молочниковым проанализированы и обобщены результаты исследований.

Основные результаты диссертационной работы докладывались' и обсуждались на 4-х международных форумах и конференциях (г.г.Минск, Новосибирск, Евпатория), на 2-х Всероссийских конференциях (г.г.Казань, Санкт-Петербург), на семинарах и конференциях в КазНЦ РАН и КГТУ им. А.Н.Туполева (г. Казань).

Автор имеет 12 научных трудов. Основные результаты диссертации опубликованы в 9 работах [25-31, 36, 57], в том числе 3 - в журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных результатов диссертаций [25, 26, 28], а также в трудах международных симпозиумов и конференций [27, 29-31, 36, 57].

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Паерелий, Антон Александрович, 2008 год

1. Алемасов В.Е., Глебов Г,А., Козлов А.П. Термоанемометрические методы исследования отрывных течений. - Казань: Казанский филиал АН СССР.- 1990.- 178 с.

2. Альбом течений жидкости газа // Сост. М.Ван-Дайк. М.:Мир- 1986— 184с.

3. Бойко A.B., Грек Г.Р., Довгаль A.B., Козлов В.В. Возникновение турбулентности в пристенных течениях. Новосибирск: Наука. Сиб. предприятие РАН. 1999,- 328 с.

4. Гей C.JT. Заметка о течении с малой скоростью перед уступом // Теоретические основы. 1978.-Т.100, №1. С.253-254.

5. Гортышов Ю.Ф., Олимпиев В.В., Байгалиев Б.Е. Теплогидравлический расчет и проектирование оборудования с интенсифицированным теплообменом. Казань: Изд-во Казан. Гос. техн. ун-та, 2004. 432 с.

6. Диковская И.Д., Довгаль A.B., Сорокин A.M. Переход к турбулентности и образование регулярных вихрей в зоне отрыва пограничного слоя // Теплофизика и аэромеханика- 1999 т.6, №1. — С.27-36.

7. Диковская И.Д., Довгаль A.B., Сорокин A.M. Переход к турбулентности и образование регулярных вихрей в зоне отрыва пограничного слоя // Теплофизика и аэромеханика- 1999 т.6, №1. — С.27-36.

8. Довгаль A.B., Козлов В.В. Устойчивость отрывного течения при обтекании поверхности с точкой излома // Докл. АН СССР- 1983.— Т.270 (6).~ С.1356-1358.

9. Довгаль A.B., Козлов В.В., Симонов O.A. Развитие пространственного волнового пакета возмущений в пограничном слое скользящего крыла // Изв. СО АН СССР. Серия технических наук.- 1988 вып.3(11).-С.43-47.

10. Довгаль A.B., Козлов В.В., Симонов O.A. Устойчивость трехмерного течения с отрывом потока от излома поверхности // Изв. СО АН СССР. Серия технических наук 1988 - вып. 1(4).- С.17-21.

11. Довгаль A.B., Сорокин A.M. Неустойчивость течения в зоне отрыва ламинарного пограничного слоя к сходу периодических вихрей //Теплофизика и аэромеханика 2001.- Т.8, №2 - С.189-197.

12. Довгаль A.B., Сорокин A.M. Экспериментальное моделирование периодического вихреобразования при отрыве течения за уступом поверхности // Теплофизика и аэромеханика 2002 - т.9, №2. - С. 193201.

13. Итон Д.К., Джонстон Дж.П. Обзор исследований дозвуковых турбулентных присоединяющихся течений // Ракетная техника и космонавтика. 1981. Т. 19. №10. С.7-19.

14. Козлов А.П. Михеев Н.И. Молочников В.М., Давлетшин И.А. Процессы переноса импульса и теплоты в пристенных турбулентных течениях // Тр. 3-й Рос. Нац. конф. по теплообмену. Москва,21-25 октября 2002г. Москва: Изд.МЭИ. Т.2. С. 174-177.

15. Козлов А.П. Проявление трехмерности в двумерных отрывных течениях//Докл. РАН. 1994. Т.338. №3. С.337-339.

16. Козлов А.П., Михеев Н.И., Молочников В.М., Сайкин А.К. Термоанемометрические измерения поверхностного трения в отрывных течениях. Казань: АБАК, 1998. 134 с.

17. Козлов А.П., Михеев Н.И., Молочников В.М., Сайкин А.К. Характеристики вектора поверхностного трения в турбулентных отрывных и присоединяющихся течениях // Известия РАН. Энергетика.-1998. -№4. -С.3-31.

18. Козлов В.В. Физические процессы в потоках // Физика и студенты.-Новос. гос. ун-т.- http://psi.nsu.ru/lector/kozlov/article/97part3.html

19. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров // М.: Главная редакция физико-математической литературы, 1984. 832 с.

20. Леонтьев А.И., Гортышов Ю.Ф., Олимпиев В.В., Попов И. А. Эффективные интенсификаторы теплоотдачи для ламинарных (турбулентных) потоков в каналах энергоустановок // Изв. РАН. Энергетика.- 2005.- №1.- С.75-91.

21. Михеев Н.И., Молочников В.М., Кратиров Д.В., Хайрнасов K.P. Основы метода термоанемометрических измерений без градуировки датчика// Изв. РАН Энергетика. 2008.- №5 С.34-38.

22. Михеев H.H., Молочников В.М., Паерелий A.A., Хайрнасов K.P. Визуализация и измерения параметров потока при ламинарном обтекании препятствий в канале // Вестник КГТУ им. А.Н.Туполева. 2008. №2(50). С.12-15.

23. Молочников В.М., Михеев Н.И., Паерелий A.A., Хайрнасов K.P. Отрыв потока за выступом в канале при ламинарном режиме течения // Теплофизика и аэромеханика. 2008. Т. 15. №4, С.611-621.

24. Молочников В.М., Михеев Н.И., Давлетшин И.А., Паерелий A.A. Гидродинамические и тепловые процессы в отрывных течениях за препятствиями при организации пристенных струй // Изв. РАН Энергетика. 2008. №1. С.137-144.

25. Молочников В.М., Михеев Н.И., Паерелий A.A. Визуализация ламинарных отрывных течений / // Материалы VII Межд. Школы-семинара «Модели и методы аэродинамики. Евпатория, 5-14 июня 2007 г. М.: МЦНМО. 2007. С. 192-193.

26. Монин А.С., Яглом A.M. Статистическая гидромеханика. 4.2. М.: Наука. 1967. 720 с.

27. Назмеев Ю.Г. Теплообмен при ламинарном течении жидкости в дискретно-шероховатых каналах. М.: Энергоатомиздат, 1998. 376 с.

28. Нейланд В.Я., Столяров Г.И. Об одном виде отрывного течения на прямоугольном крыле малого удлинения // Учен. зап. ЦАГИ. 1982 — Т.13, №1- С.83-88.

29. Нейланд В.Я., Столяров Г.И., Табачников В.Г. Влияние относительной толщины прямоугольного крыла малого удлинения и числа Рейнольдса на режимы перестройки структуры обтекания // Учен. зап. ЦАГИ. -1985- Т.16, №3-С .1-10.

30. Паерелий А.А. Структура ламинарного отрыва потока в канале за системой выступов // Материалы XV Международной молодежной научной конференции «Туполевские чтения». 9-10 ноября 2007г. Изд-во Казан:гос. техн. ун-та, 2007, Т.1, С. 296-298.

31. Терехов В.И., Ярыгина Н.И., Жданов Р.Ф. Особенности течения и теплообмена при отрыве потока за уступом и ребром. 1. Структура течения//ПМТФ.-2002.-Т.43, №6-126-133.

32. Aidun С.К. Triantafillopoulos N.G., Benson J.D. Global stability of a lid-driven cavity with through flow. Flow visualization studies // Phys. Fluids A.- 1991. V.3, N9, PP.2081-2091.

33. Armaly B.F., Durst F., Pereira J.C.F., Schoenung B. Experimental and theoretical investigation of backward-facing step flow // J. Fluid Mech.-1983.- Vol.127.- P.473-496.

34. Armaly B.F., Li A., Nie J.H. Measurements in three-dimensional laminar separated flow // Int. J. Heat Mass Transfer 2003.- N 46.- P.3573-3582.

35. Arnal M., Friedrich R. Large-Eddy Simulation of a Turbulent Flow with Separation / 8th Int. Symp. "Turbulent Shear Flows 8". 1993. Pp.169-187.

36. Arnal M., Friedrich R. The Instantaneous Structure of a Turbulent Flow overa Back-Ward-Facing Step / Separated Flows and Jets. Springer-Verlag, Berlin, 1991. Pp.709-717.

37. Chiang T.P., Sheu T.W.H. A numerical revisit of backward-facing step flow problem // Physics of Fluids.- 1999.- Vol.11, No.4.- P:862-874.

38. Dovgal A.V., Kozlov V.V., Michalke A. Laminar boundary layer separation: instability and associated phenomena // Prog Aerospace Sei.- 1994.- 30.-Pp.61-94.

39. Eaton J.K., Johnston J.P. Low Frequency Unsteadiness of a Reattaching Turbulent Shear Layer // Proceedings of the Third International Symposium on Turbulent Shear Flows, Davis, CA, Sept. 1981. Pp.162-170.

40. Gaster M. The structure and behaviour of laminar separation bubbles / Proc. Conf. AGARD, Rhode-Saint-Genese, Belgium, 10-13 May 1966, paper no.4.- Pp.813-854.

41. Görtler H. Dreidimensionales zur Stabilitätststheorie laminarer Grenzshichten // ZAMM. 1955.- Vol.35.- P.326-364.

42. Haggmark C.P., Bakchinov A.A., Alfredsson P.H. Experiments on a two-dimensional laminar separation bubble // Phil. Trans. R. Soc. Lond. A.~ 2000.-359.-Pp.3193-3205.

43. Hammad K.J., Otugen M.V., Arik E.B. The Laminar Axisymmetric Sudden Expansion Flow: A PIV Study / JSME International Conference- on Fluid Engineering, Tokyo, Japan, July 13-16, 1997,- P.675-680.

44. Hasan M.A.Z. The flow over a backward-facing step under controlled perturbation: laminar separation // J. Fluid Mech.- 1992.- 238.- Pp.73-96.

45. Huang H.T., Fiedler H.E. A DPIV Study of a Starting Flow Downstream of a Backward-Facing Step // Experiments in Fluids. 1997. 23. Pp.395-404.

46. Kiya M., Mochizuki O., Tamura H., Nozawa T., Ishikawa R., Kushioka K. Turbulence properties of an axisymmetric separation-and-reattaching flow // AIAA J.-1991.- Vol.29.-P.936-941.

47. Le H., Moin P., Kim J. Direct Numerical Simulation of Turbulent Flow overa Backward-Facing Step // J. Fluid Mech. 1997,- 330. Pp.349-374.

48. Pauley L.L., Moin P., Reynolds W.C. The structure of two-dimensional separation // J. Fluid Mech.- 1990.- 220.- Pp.397-411.

49. Pronchick S., Kline S. An Experimental Investigation of the Structure of a Turbulent Reattaching Flow Behind a Backward-Facing Step // Stanford University. Mechanical Engineering Dept. Rept. MD-42. 1983.

50. Sigurdson L.W., Roshko A. The structure and control of a turbulent reattaching flow / Turbulence Management and Relaminarization.- SpringerVerlag, 1988.- P.497-514.

51. Spazzini P.G., Iuso G., Onorato M. et al. Unsteady Behaviour of Back-Facing Step Flow // Experiments in Fluids. 2001. 30. Pp.551-561.

52. Stüer H. Investigation of separation on a forward facing step / Schriftenreihe des Instituts für Hydromechanik und Wasserwirtschaft. Zürich. 1999-Band 5.— 170 s.

53. Tafti D.K., Vanka S.P. A Numerical Study of Flow Separation and Reattachment on a Blunt Plate // Phys. Fluids A. 1991. Vol.3. No.7. Pp. 1749-1759.

54. Tafti D.K., Vanka S.P. A Three-Dimensional Numerical Study of Flow Separation and Reattachment on a Blunt Plate // Phys. Fluids A. 1991. Vol.3. No. 12. Pp.2887-2909.

55. Zanin B.Yu., Kozlov V.V., Zverkov I.D., Pavlenko A.M. Receptivity of subsonic separated flows to external influence // Proc. 13th Int. Conf. On the Methods of Aerophysical Research. Pt 1. Novosibirsk: Publ. House "Parallel".- 2007.- P. 210-215.