Тепломассоперенос при обтекании цилиндра в тонкой щели тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.05, кандидат технических наук Михайлова, Татьяна Николаевна

• Михайлова, Татьяна Николаевна
• кандидат технических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат технических наук Михайлова, Татьяна Николаевна

ОГЛАВЛЕНИЕ П

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕНОСА ПРИ ОБТЕКАНИИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ТЕЛ В ЯЧЕЙКЕ ХИЛ-ШОУ И ЗЕРНИСТОЙ СРЕДЕ

1.1. Гидродинамические особенности обтекания и тепломассообмен цилиндра в ячейке Хил-Шоу

1.2. Процессы переноса при обтекании цилиндра в зернистой

среде

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ МАССООБМЕНА ОДИНОЧНОГО ЦИЛИНДРА, РАЗМЕЩЕННОГО В ЯЧЕЙКЕ ХИЛ-ШОУ, С ПОТОКОМ ЖИДКОСТИ

2.1. Тепломассообмен цилиндра в щели при вынужденной конвекции при граничных условиях первого рода

2.2. Влияние инерционных членов на тепломассообмен в лобовой точке цилиндра

2.3. Методика измерения массообмена, описание экспериментальной установки

2.4. Обсуждение экспериментальных результатов по

массообмену одиночного цилиндра в щели с потоком жидкости

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА ОДИНОЧНОГО ЦИЛИНДРА, РАЗМЕЩЕННОГО В ЯЧЕЙКЕ ХИЛ-ШОУ, С ПОТОКОМ ЖИДКОСТИ

3.1. Решение задачи теплообмена цилиндра в щели с потоком жидкости при постоянстве теплового потока на его поверхности

3.2. Описание экспериментальной установки по исследованию

теплообмена одиночного цилиндра

3.3. Обсуждение экспериментальных результатов по

теплообмену

ГЛАВА 4. ТЕПЛООБМЕН ЕДИНИЧНОГО ЭЛЕМЕНТА

СИСТЕМЫ ЦИЛИНДРОВ В ЯЧЕЙКЕ ХИЛ-ШОУ

4.1. Теплообмен цилиндра, находящегося в гидродинамическом следе предвключенного цилиндра

4.2. Шахматное расположение цилиндров

ВЫВОДЫ

ЛИТЕРАТУРА

ПРИМЕЧАНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

а - коэффициент температуропроводности; Ъ - ширина ячейки; С - концентрация;

с1 - диаметр частиц зернистой среды;

0 - диаметр цилиндра, коэффициент диффузии; F - число Фарадея;

g - ускорение свободного падения; к - толщина щели;

1 - гидравлический градиент, предельный диффузионный ток датчика; У - диффузионный поток массы;

К - проницаемость;

Ь - длина участка, характерный размер обтекаемого тела; т - пористость зернистой среды;

п - число электронов, участвующих в электрохимической реакции; р - давление;

q - плотность теплового потока; г - радиус-вектор; Я - радиус цилиндра; £ - площадь датчика (катода); Т - температура;

и, V, м? - продольная, поперечная и трансверсальная компоненты вектора скорости;

и - продольная скорость; х, у, г - декартовы координаты.

Греческие символы

а - коэффициент теплоотдачи; Р - коэффициент массоотдачи; Г- ионная сила раствора;

5- расстояние между цилиндрами в наиболее узком сечении; £ ~ пористость для системы цилиндров; в - угол, измеряемый от лобовой точки цилиндра;

X - коэффициент теплопроводности;

/и - коэффициент динамической вязкости жидкости;

у - коэффициент кинематической вязкости жидкости;

р - плотность жидкости;

т- касательное напряжение трения на стенке;

(р - потенциал;

у/ - функция тока;

а> - завихренность.

Критерии

Ог - число Грасгофа; № - число Нуссельта; Ре - число Пекле; Рг - число Прандтля; Яд - число Рэлея; Яе - число Рейнольдса; Бс - число Шмидта; БЬ - число Шервуда.

Верхние и нижние индексы

В - критерий рассчитан по диаметру цилиндра; е - величина на границе пограничного слоя; /- величина в лобовой точке, величина относится к жидкой фазе; т. - средняя величина;

п1 - величина с учетом инерционных эффектов;

2к - критерий рассчитан по удвоенной толщине щели;

оо - величина вдали от пограничного слоя;

* - модифицированный критерий для ячейки Хил-Шоу.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Тепломассоперенос при обтекании цилиндра в тонкой щели»

ВВЕДЕНИЕ

Исследование течения и процессов тепломассопереноса в узких щелях между плоскопараллельными пластинами (ячейке Хил-Шоу) привлекает к себе внимание и с точки зрения исследования фундаментальных проблем термогидродинамики, и как проблема, имеющая большое прикладное значение.

Впервые ползущее течение в узком зазоре было использовано для моделирования потенциального обтекания тел различной геометрии. Позднее, путем частичного учета инерционных членов полученные для ползущего течения решения пытались расширить на область более высоких чисел Рейнольдса. Были также выполнены численные расчеты полной системы двумерных уравнений движения, полученных осреднением трехмерных уравнений движения по толщине ячейки Хил-Шоу, для случаев обтекания цилиндра в щели и распространения струи в широком диапазоне чисел Рейнольдса.

Устройство Хил-Шоу широко применяется для моделирования задач фильтрации воды через земляные плотины, движения подземных вод при дренаже и т.д. В основе этой области применения ячейки Хил-Шоу лежит сходство между дифференциальными уравнениями, описывающими напорное ламинарное движение вязкой жидкости в узком зазоре между пластинами, и уравнениями движения в зернистой среде в режиме линейной фильтрации Дарси. Узкая щель также оказалась эффективным средством для моделирования задач устойчивости при свободной конвекции в пористой среде.

В последние годы заметно активизировались исследования тепломассопереноса в пористых средах. Это связано с их широким использованием в химической и пищевой промышленностях, в

традиционной и ядерной энергетике, где в настоящее время получили распространение ядерные реакторы с неподвижным зернистым слоем, служащим для улучшения охлаждения погруженных в него ТВЭЛов. Задача тепломассообмена в пористых средах является основной и при решении проблем коррозии стенок трубопроводов, находящихся в грунте.

Вышесказанное определяет важность исследования процессов тепломассообмена при обтекании тел, размещенных в пористых средах. Ячейка Хил-Шоу имеет ряд преимуществ перед зернистой средой, так как непосредственные измерения в засыпках требуют сложной экспериментальной техники. Датчики, помещенные в зернистый слой, могут оказаться в сложных условиях, что существенно затрудняет анализ их показаний. В случае использования ячейки Хил-Шоу появляется возможность тепловой и гидродинамической визуализации явлений. Кроме того, при описании процессов переноса в пористых средах приходится вводить представление об эффективных значениях коэффициентов переноса, тогда как в ячейке Хил-Шоу идет речь об истинных физических значениях этих коэффициентов.

В последние годы была показана возможность применения ячейки Хил-Шоу для моделирования процесса теплообмена при естественной конвекции.

Тонкая щель имеет и самостоятельное значение, моделируя условия, возникающие при охлаждении элементов радиоэлектронной аппаратуры. Исследование теплообмена при этом становится особенно актуальным в связи с тенденцией к уменьшению габаритов, более плотному размещению элементов при интенсивном тепловыделении. Следует также отметить, что тонкая щель представляет собой элемент компактных теплообменников, поиск путей оптимизации и новых конструкций которых очень важен для современной техники.

Еще одно применение ячейки Хил-Шоу - моделирование течения в речных руслах и каналах. Оно основано на малой относительной глубине равнинных рек и каналов. Пренебрегая волновыми явлениями на поверхности потока можно рассматривать движение воды в реке как течение, ограниченное с одной стороны плоскостью симметрии щели, с другой - боковой пластиной. С помощью такой модели можно решать задачи размыва берегов, деформации островов и осередков, распространения загрязняющих веществ вниз по течению реки.

В настоящей работе впервые теоретически и экспериментально исследованы тепло- и массообмен при обтекании одиночного цилиндра, размещенного в ячейке Хил-Шоу. Рассмотрено также влияние изменения гидродинамики обтекания на теплообмен, обусловленное наличием других цилиндров. Указаны границы аналогии с процессами тепломассопереноса для цилиндра, размещенного в пористой среде.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Михайлова, Татьяна Николаевна, 1998 год

Литература

Аэров М.Э., Тодес О.М. Гидравлические и тепловые основы работы аппаратов со стационарным и кипящим зерновым слоем. - Л.: "Химия", 1968.

Буевич Ю.А., Казенин Д.А. О переносе тепла или массы к телам разной формы, погруженным в неподвижный или слабоожиженный зернистый слой. Тепломассообмен-Y. - Минск, 1976, т.6, с. 19-

Буевич Ю.А., Казенин Д.А. Предельные задачи о переносе тепла или массы к цилиндру или сфере, погруженным в инфильтруемый зернистый слой. - ПМТФ, 1977, № 5, с. 94-102.

Бычков Ю.М. Визуализация тонких потоков несжимаемой жидкости. -Кишинев, Штиинца, 1980, 130с.

Бычков Ю.М. Визуализация течения в каналах и выбор их оптимальных форм. - Механика турбулентных потоков, М, 1980, с. 285-292.

Бычков Ю.М. Гидродинамика тонких потоков несжимаемой жидкости. -Кишинев, 1981, 109с.

Бэр Я., Заславски С., Ирмей Д. Физико-математические основы фильтрации воды. - М.: "Мир", 1971.

Волков В.И., Мухин В.А., Накоряков В.Е. Исследование структуры течения в пористой среде. - ЖПХ, 1981, № 4, с. 838-842.

Горин A.B., Нартов В.П., Хоруженко А.Г., Чупин В.М. Численное и экспериментальное исследование естественной конвекции в узкой полости.

ч

В сб. "Гидродинамика и тепломассообмен в неподвижных зернистых слоях", ИТ СО АН СССР, Новосибирск, 1991, с. 95-127.

Горин A.B., Хоруженко А.Г., Чупин В.М. Естественная конвекция от источника теплоты в узкой щели. В сб. "Гидродинамика и тепломассообмен в неподвижных зернистых слоях", ИТ СО АН СССР, Новосибирск, 1991, с. 128-138.

Горин A.B., Егоров А.Ю., Накоряков В.Е., Чупин В.М. Естественная конвекция от цилиндра в узкой щели и пористой среде. - ПМТФ, 1998, № 6.

Жак В.Д., Мухин В.А., Накоряков В.Е., Сафонов С.А. Распространение затопленной струи в узкой щели. - ПМТФ, 1985, № 3, с. 69-77.

Жак В.Д., Мухин В.А., Накоряков В.Е., Сафонов С.А. Обтекание цилиндра в узком зазоре при больших скоростях. - ПМТФ, 1986, № 2, с. 3034.

Казенин Д.А. Теплоотдача тонкой наклонной пластины в потенциальном бесциркуляционном потоке. В сб. н. тр. "Химическое машиностроение", М.,. 1976, вып. 6, с. 85-87.

Казенин Д.А., Клиот М.Б. Экспериментальное исследование локальной теплоотдачи цилиндрического теплообменного элемента в реакторе с продуваемым зернистым слоем. В сб. н. тр. "Химическое машиностроение", М., 1977, вып. 8, с. 67-103.

Кернерман Э.Я., Накоряков В.Е. Течение и теплообмен в щелевых каналах с препятствиями. ПМТФ, 1971, № 1, с. 115-118.

Кутателадзе C.C. Справочник по теплообмену. - 1979

Ламб Г. Гидродинамика. - М.-Л.: ОГИЗ, 1947, 928 с.

Левич В.Г. Физико-химическая гидродинамика. - М.: Гос. изд-во физ.-мат. лит., 1959.

Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. - М.: "Наука", 1987.

X

Мухин В.А. Экспериментальное исследование процессов переноса в зернистых слоях. Дисс. на соискание уч. ст. д.т.н., Новосибирск, 1987, 482 с.

Мухин В.А., Воропаев A.A., Балуев В.В. Экспериментальное исследование поверхностного трения при поперечном обтекании цилиндра в зернистой среде. В сб. "Гидродинамика и тепломассообмен в неподвижных зернистых слоях", ИТ СО АН СССР, Новосибирск, 1991, с. 14-21.

Накоряков В.Е., Бурдуков А.П., Кашинский О.Н., Гешев П.И. Электродиффузионный метод исследования локальной структуры турбулентных течений. - Новосибирск: ИТ СО АН СССР, 1986.

Накоряков В.Е., Жак В.Д., Сафонов С.А. Обтекание цилиндра в узком зазоре в ламинарном и переходном режимах. - Изв. Сиб. отд. АН СССР, сер. техн. наук, 1988, № 7, вып. 2, с. 39-43.

Накоряков В.Е., Балуев В.В., Мухин В.А. Локальная теплоотдача цилиндра, погруженного в инфильтруемый слой. - Изв. Сиб. отд. АН СССР, сер. техн. наук, 1990, вып. 1, с. 3-8.

Накоряков В.Е., Мухин В.А., Балуев В.В., Воропаев A.A. Процессы переноса при поперечном обтекании цилиндра фильтрационным потоком в неподвижной зернистой среде. В сб. "Гидродинамика и тепломассообмен в неподвижных зернистых слоях", ИТ СО АН СССР, Новосибирск, 1991, с. 313.

Нерушев Ю.Ф., Календерьян В.А. Особенности теплообмена движущегося продуваемого слоя с цилиндрическими поверхностями. В сб. науч. тр., Киев, 1976, с. 116-121.

Справочник химика. Л.: "Химия", 1968, т.З.

Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. - М.: "Наука", 1987.

Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. - М.: "Наука", 1969.

ч

Ariel P.D. Hiemenz flow in hydromagnetics. Acta Mechanica. 1994, vol. 103, No. 1-4, p. 31-43.

Dachler R. Grundwasserstromung. - Wien: Springer, 1936, 144 p.

Fund R.M., Steinberger Т.Е., Cheng P. Natural convection heat transfer from a horizontal cylinder embeded in a porous medium. Int. J. Heat Mass Transfer. 1986, v. 29, No. 1, p. 119-133.

Fung Y.C., Sobin S.S. Theory of sheet flow in lung alveoli. J. Appl. Physiol. 1969, v. 26, No. 4, p. 472-488.

Glass D.H., Harrison D. Flow patterns near a solid obstacle in a fluidized bed. Chem. Eng. Sei. 1964, v. 19, No. 12, p. 1001-1002.

Gordon S.L., Newman J.S., Tobias C.W. The role of ionic migration in electrolytic mass transport, diffusivities of Fe(CN)63" and Fe(CN)64" in KOH and NaOH solution. Ber. Buns. Gesel. Phys. Chemie. 1966, v. 70, No. 4, p. 414-420.

Hele-Shaw H.S. Investigation of the Nature of Surface Resistance of Water and of Streamline Motion Under Certain Experimental Conditions. Trans. Inst. Nav. Arch. 1898, vol. 40, p. 21-46.

Hele-Shaw H.S. The Flow of Water. Nature. 1898, vol. 58, p. 34-36.

Lee J.S., Fung Y.C. Stokes flow around a circular cylindrical post confined between two parallel plates. J. Fluid Mech. 1969, vol. 37, No. 4, p. 657-670. -

Nakoryakov V.Ye., Zhak V.D., Safonov S.A. Flow in a Hele-Shaw cell at large velocities. Russian J. Eng. Thermophys. 1991, vol. 1, No. 1, p. 1-23.

Noack R. Lokaler warmeubergung an horizontalen Rokren in Wirbelschichten. Chem. Ing. Tech. 1970, B. 42, № 6, s. 371-376.

Riegels F. Zur Kritik des Hele-Shaw. Versuchs. ZAMM. 1938, B. 18, H. 2, s. 95-106.

Santing G. Modele pour l'etude des problemes de l'ecoulement simultane des eaux souterraines douces et salees. Int. Ass. of Scient. Hydrol., IUGG, General Assembly of Brussels / Ass. int. d'hydrol. scient., UGGI, Assemblee generale de Bruxelles, 2, 1951, p. 184-193.

Stokes G.G. Mathematical proof of the identity of the streamlines obtained by means of a viscous film with those of a perfect fluid moving in two dimentions. Brit. Ass. Rep. 1898.

Stokes G.G. Appendix to Hele-Shaw. Rep. 68th Mtg. Brit. Ass. 1898.

Tompson B.W. Secondary flow in a Hele-Shaw cell. J. Fluid Mech. 1968, v. 31, pt. 2, p. 379-395.

Vorontsov S.S., Gorin A.V., Nakoryakov V.Ye., Khoruzhenko A.G., Chupin V.M. Natural convection in a Hele-Shaw cell. Int. J. Heat Mass Trans. 1991, v. 34, No. 3, p. 703-709.

Wooding R.A. Convection in a saturated porous medium at large Rayleigh number and Peclet number. J. Fluid Mech. 1963, vol. 15, pt. 4, p. 527-544.

Yagi S., Kunii D. Studies on Heat Transfer in Packed Beds. Intern. Development Heat Transfer, Colorado, 1961, part. 4, p. 750-759.

прм iUä 5= U Л i-! 1А1=

а »6 ГМ9Е&» en?

Представленные в работе результаты экспериментальных и теоретических исследований тепло- и массообмена при обтекании цилиндра в тонкой щели могут быть использованы при проведении расчетов по охлаждению элементов радиоэлектронной аппаратуры, моделированию процессов переноса в неподвижных зернистых слоях (в том числе в ядерных реакторах с неподвижным зернистым слоем), при создании новых конструкций компактных теплообменников. Результаты исследований важны для работников конструкторских бюро, научно-исследовательских институтов, занимающихся проектированием радиоэлектронной аппаратуры, ядерных реакторов, тепл©обменных аппаратов.

Работа проводилась в Институте Теплофизики им. С.С.Кутателадзе под научным руководством д.т.н., проф. В.А.Мухина и при консультации к.т.н., в.нх. А.В.Горина. Автор выражает благодарность проф., акад. AT РФ В.В.Дегтяреву за помощь в организации и проведении экспериментальных исследований.

Автором были выполнены конструкторские работы по созданию экспериментальных стендов, проведены тарировочные работы, измерения и теоретические исследования, результаты которых представлены в работе. На их основе получены расчетные соотношения в виде, удобном для применения в инженерной практике. В изготовлении рабочих участков и измерительных элементов принимали участие В.М.Чупин, А.В.Зарубин. В обсуждении и интерпретации результатов работы принимал участие к.ф.-м.н. Д.Ф.Сиковский.

Основные результаты диссертационной работы изложены в следующих публикациях:

1. Комписенко Т.Н., Саломатин E.H. Экспериментальное исследование гидродинамики и массообмена при течении в узкой щели и пленке в зернистой

i SO

ТТ£ь i ßOH/'i i i U \ ir ТГ-О TT/\i> \/I ££ ЛЛЛАГАГ> I ТАГ? iTIi/Arr« s i\ Fi /4 "T i t V b'iiilUUV Ti ЛПА1ПЛО i i Ti^'T'Ai) . I v.>iiv»s Y I i-J V; V- V<\Jf IVJ ._> 1 IVii L4J 1W.;U« ¡V1V7J V MVl £1>1Л Kl l 1 dj l ?iV ! V/O

"Современные проблемы теплофизики", Новосибирск, 1990, с. 77-78.

2. Зарубин A.B., Михайлова Т.Н. Моделирование процессов переноса при внешнем обтекании тел фильтрационным потоком. Сб. науч. трудов НИИВТа, Новосибирск, 1994, с. 33-44.

3. Горин A.B., Зарубин A.B., Михайлова Т.Н., Мухин В.А., Сиковский Д.Ф. Трение и массоотдача при поперечном обтекании цилиндра в зернистом слое и узкой щели. ПМТФ, № 1, 1995, с. 112-121.

4. Михайлова Т.Н. Исследование теплообмена при обтекании цилиндрических тел фильтрационным потоком. Тезисы докладов XXXII научно-практической конференции, посвященной 300-летию Российского флота "Современные проблемы технических наук", Новосибирск, 1996, с. 39-41.

5. Gor in А. V., Mukhin V. A., Mikhailova Т. N., Sikovsky D. Ph. Forced Convection Heat and Mass Transfer from a Circular Cylinder in a Hele-Shaw Cell. Proc. 11th Int. Heat Transfer Conference, 1998, Seoul, South Korea, V.3, P. 109-114.

6. Михайлова Т.Н. Аналогия процессов переноса в зернистой среде и ячейке Хил-Шоу. Тезисы докладов XXXIII научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава НГАВТ, Новосибирск, ноябрь 1998, (в печати).