Влияние отрывных зон на вихреобразование и турбулентный теплообмен в круглой трубе тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.14, кандидат наук Богатко, Татьяна Викторовна

• Богатко, Татьяна Викторовна
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Богатко, Татьяна Викторовна

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОТРЫВНЫЕ ТЕЧЕНИЯ И ИХ ОСОБЕННОСТИ. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1 Процессы динамики и тепломассопереноса в отрывном течении за обратным уступом

1.2 Особенности газодинамики и тепловых характеристик при отрыве за плоской диафрагмой

1.3 Влияние формы турбулизирующих элементов на теплообмен

1.4 Влияние внешних условий на эволюцию отрывного течения

1.4.1 Влияние толщины динамического и теплового пограничного слоя

1.4.2 Влияние степени расширения и продольного градиента давления

1.4.3 Влияние внешней турбулентности и дополнительной турбулизации потока перед отрывом

ГЛАВА 2. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТУРБУЛЕНТНЫХ ОТРЫВНЫХ ТЕЧЕНИЙ. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. ТЕСТОВЫЕ РАСЧЁТЫ

2.1 Основные методы расчёта турбулентных течений

2.2 Модели турбулентности, реализованные в пакете прикладных программ АМ8У8-РШЕЖ

2.3. Вычислительные ресурсы и характер сходимости при использовании различных моделей

2.4. Генерация расчётных сеток

2.5. Граничные условия

2.6 Тестовые расчёты турбулентных безотрывных и отрывных течений

2.6.1. Течение в круглой трубе

2.6.2. Течение на пластине

2.6.3. Обтекание обратного уступа в кольцевом канале

2.6.4. Обтекание обратного уступа в круглой трубе

2.6.5. Обтекание одиночной диафрагмы и системы диафрагм в круглой трубе

ГЛАВА 3. ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕНА В ТРУБЕ С ДИАФРАГМАМИ РАЗЛИЧНОЙ КОНФИГУРАЦИИ

3.1 Формы одиночных интенсификаторов теплообмена, схема расчётной области, методика расчёта, граничные условия

3.2 Сравнительный анализ результатов для диафрагм с различной формой поперечного сечения. Газодинамика

3.3 Сравнительный анализ результатов для диафрагм с различной формой поперечного сечения. Локальный теплообмен

3.4 Сравнительный анализ результатов для диафрагм с различной формой поперечного сечения. Интегральный теплообмен и сопротивление. Термогидравлическая характеристика

ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ ДИНАМИЧЕСКОЙ И ТЕПЛОВОЙ ПРЕДЫСТОРИИ НА ТУРБУЛЕНТНОЕ ОТРЫВНОЕ ТЕЧЕНИЕ В ТРУБЕ С ВНЕЗАПНЫМ РАСШИРЕНИЕМ

4.1 Схема расчётной области, методика расчёта

4.2 Влияние толщины динамического пограничного слоя на отрывное течение и тепломассообмен в трубе с внезапным расширением

4.3 Влияние толщины теплового пограничного слоя на характеристики тепломассообмена в трубе с внезапным расширением

4.3.1 Анализ результатов численного моделирования

4.3.2 Сравнение с экспериментальными данными

ГЛАВА 5. ВЛИЯНИЕ СТЕПЕНИ РАСШИРЕНИЯ И ПРОДОЛЬНОГО ГРАДИЕНТА ДАВЛЕНИЯ НА ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ТЕПЛООБМЕН В КРУГЛОЙ ТРУБЕ С ВНЕЗАПНЫМ РАСШИРЕНИЕМ

5.1 Влияние степени расширения на динамические характеристики и теплообмен в круглой трубе с внезапным расширением

5.1.1 Схема расчётной области, методика расчёта

5.1.2 Влияние степени расширения трубы на динамические характеристики потока

5.1.3 Влияние степени расширения трубы на тепловые характеристики

5.2 Влияние продольного градиента давления на структуру течения теплообмен в трубе с внезапным расширением

ГЛАВА 6. ТЕПЛООБМЕН В ТРУБЕ С ВНЕЗАПНЫМ РАСШИРЕНИЕМ ПРИ НАЛИЧИИ ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ИНТЕНСИФИКАТОРА

6.1 Схема расчётной области, методика расчёта

6.2 Влияние расположения дополнительного вихреобразующего элемента на отрыв, присоединение и дальнейшее развитие потока

6.3 Влияние размера дополнительного вихреобразующего элемента на отрыв, присоединение и дальнейшее развитие потока

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

СПИСОК ПРИНЯТЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Влияние отрывных зон на вихреобразование и турбулентный теплообмен в круглой трубе»

ВВЕДЕНИЕ

Отрывные течения являются объектом пристального изучения вследствие их распространённости в природе и технике. Исследования структурных особенностей и характеристик обмена в областях рециркуляции, присоединения и дальнейшего развития течения являются весьма важными для авиакосмической техники, турбомашиностроения, электронной техники и для многих других технических приложений.

Отрывные течения относятся к числу недостаточно изученных. Отрыв потока жидкости или газа весьма важное и сложное явление, одно из многих характерных свойств вязкого течения. Основными особенностями отрывных течений являются значительные градиенты давления, искривление линий тока, высокий уровень турбулентных пульсаций скорости, в результате чего в отрывном течении наблюдается попеременное изменение направления скорости на противоположное, так называемое реверсирование потока. Отрыв пограничного слоя при обтекании различных препятствий и его присоединение приводят к возникновению специфической структуры течения, существенно влияющей на теплообмен и сопротивление.

Почти не изученным направлением исследований отрывных течений является вопрос влияния таких параметров, как толщина набегающего пограничного слоя, степень расширения каналов и труб, продольный градиент давления. Несмотря на то, что эти проблемы представляют неподдельный интерес и могут значительно расширить область знания об отрывных течениях, их систематическое исследование практически отсутствует в литературе. Особенно интересным, на сегодняшний день, является вопрос исследования методов управления отрывными течениями, как способа повышения теплоотдачи. В частности, наиболее приемлемых с практической точки зрения, пассивных методов управления, основанных на использовании дополнительных турбулизирующих элементов.

В настоящее время, экспериментальные исследования в данной области становятся всё более трудоемкими и материалозатратными, а в следствии этого и дорогостоящими. Все перечисленные выше проблемы, которые нуждаются в тщательном исследовании, представляют собой совокупность сложных многопараметрических задач. В этой связи главенствующую роль начинает приобретать численное моделирование. Но, несмотря на значительный прогресс в этой области за последнее десятилетие, пока не существует единой универсальной модели, дающей с приемлемой точностью результаты для широкого класса задач термогазодинамики. Поэтому, на сегодняшний день, на ряду с развитием и усовершенствованием численных моделей, актуальной является задача адаптации уже существующих к некоторому классу задач.

Настоящая работа построена таким образом, что последовательно рассматриваются различные виды отрывных течений, представляющих наибольший интерес для технических приложений. В работе уделено особое внимание вопросам, которые ранее не были систематически исследованы, а также некоторым проблемам, для которых совершенно отсутствует экспериментальный материал.

Цель настоящей работы заключается в изучении влияния различных факторов на структуру турбулентного отрывного течения и теплообмен в круглой трубе, таких как: форма одиночного турбулизатора, наличие динамической и тепловой предыстории, продольный градиент давления, наличие минитурбу-лизаторов перед отрывом.

Достижение этой цели предполагает решение следующих задач:

1. Адаптировать пакет прикладных программ АН8У8-РШЕНТ для решения класса задач, связанных с турбулентными отрывными течениями.

2. Выяснить влияние геометрии одиночного турбулизирующего элемента на динамику отрывного течения и теплообмен в круглой трубе.

3. Провести систематическое исследование влияния динамической и тепловой предыстории на отрыв, присоединение и дальнейшее развитие течения в трубе с внезапным расширением.

4. Определить влияние степени расширения трубы и продольного градиента давления на динамику течения и теплообмен в трубе с внезапным расширением.

5. Исследовать возможности дополнительной интенсификации теплообмена с малыми, на порядок меньшими, чем величина внезапного расширения, диафрагмами вблизи точки отрыва в трубе с внезапным расширением.

Актуальность работы

В настоящее время, задача тепло- и энергосбережения входит в перечень приоритетных направлений развития науки и технологий РФ. Внедрение в промышленность энергосберегающих технологий требует создания более эффективного энергетического оборудования, обладающего повышенной надежностью. Одним из важных аспектов является проблема пассивной интенсификации теплообмена с помощью организации отрыва потока и возможности управления процессом тепломассопереноса. Пассивные интенсификаторы теплообмена отличаются простотой изготовления и высокой надёжностью. Широкое их использование в теплоэнергетическом оборудовании - теплообменниках, ядерных реакторах, камерах сгорания, каналах охлаждения газотурбинных установок - требует глубокого понимания структуры течения и тепломассообмена при вариации геометрии обтекаемого препятствия и термогазодинамических параметров внешнего потока.

Ввиду их чрезвычайной практической важности, турбулентные отрывные течения уже давно привлекают к себе пристальное внимание исследователей. Наличие циркуляционного пристеночного слоя в отрывном сдвиговом потоке за обратным уступом или при внезапном расширении круглой трубы сильно влияет на структуру вихреобразования и процессы энергообмена. Несмотря на относительную простоту данного типа течения, ряд аспектов этой проблемы

остается слабоизученным и противоречивым. Это объясняется многофакторностью и сложностью механизма турбулентного отрыва потока в ограниченном канале, связанного с искривлением линий тока, реверсированием потока, присутствием вибраций, значительного градиента давления, наличием высокого уровня турбулентных пульсаций и пульсаций давления. Итон, Джонстон (1981) выделяют ряд параметров, влияющих на отрыв и присоединение потока: 1 -состояние отрывающегося пограничного слоя; 2 - толщина пограничного перед отрывом слоя; 3 - величина турбулентности во внешнем невозмущённом потоке; 4 - продольный градиент давления; 5 - степень расширения канала. Несмотря на то, что проблема обозначена и сформулирована уже достаточно давно, до сих пор не проводилось систематических исследований влияния данных параметров на гидродинамические и тепловые характеристики отрывных потоков в трубах, что является на сегодняшний день актуальной и практически важной задачей.

Научная новизна работы

Исследована структура течения и теплообмен в трубе при наличии диафрагм различной конфигурации. Показано существенное различие в характере обтекания преград различной формы поперечного сечения, а так же в их тепло-гидравлической эффективности.

Впервые изучено влияние динамической и тепловой предыстории потока на структуру течения и теплообмен в трубе с внезапным расширением. Установлено, что увеличение толщины динамического пограничного слоя приводит к росту масштаба рециркуляционной области, и к снижению интенсивности теплообмена. При наличии тепловой предыстории теплообмен после внезапного расширения становится менее интенсивным.

Выполнено систематическое исследование влияния степени расширения и продольного градиента давления на динамические характеристики потока, и турбулентный теплообмен в трубе с внезапным расширением. Показано, что при увеличении степени расширения теплообмен становится менее интенсив-

ным, координаты точек присоединения и Нитах сдвигаются вниз по потоку. Показано, что рост продольного градиента давления приводит к увеличению размеров отрывной области и значительному снижению теплоотдачи.

Исследован процесс взаимодействия отрывных потоков различных масштабов в трубе с внезапным расширением. Установлено, что дополнительный турбулизирующий элемент приводит к кардинальным изменениям структуры рециркуляционной зоны, смещению точки присоединения потока и, соответственно, к перераспределению коэффициентов тепломассоотдачи. Приближение минитурбулизатора к точке отрыва приводит к увеличению размеров рециркуляционной области и повышению интенсивности теплообмена. Увеличение высоты минитурбулизатора аналогичным образом сказывается на характеристиках отрывного течения.

Практическая ценность работы

Уменьшение размеров и веса теплообменных аппаратов, а также повышение их износостойкости тесно связаны с необходимостью интенсификации процесса теплопередачи. Одним из возможных применений результатов работы является выбор формы и параметров оребрения для компактных теплообменников. В работе на основе комплексного исследования течения в трубе показано, что, варьируя параметры внешнего потока и изменяя геометрию отрывного течения, можно эффективно управлять динамикой и теплоотдачей отрывного потока. Полученные в результате численного эксперимента данные могут быть полезны при исследовании отрывных течений в схожих условиях.

Данные, представленные в диссертации, могут быть использованы при проектировании и усовершенствовании теплообменных устройств и микроэлектронной аппаратуры. Они могут быть полезны при усовершенствовании проточных трактов авиационных и ракетных двигателей, сопел и воздухозаборников летательных аппаратов и генераторах низкотемпературной плазмы.

Результаты исследований представлены в виде корреляционных соотношений, которые могут быть использованы для инженерных расчётов, а также

для проведения предварительной оценки отрывных течений со сложными граничными условиями.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты численного исследования структуры течения и теплообмена при обтекании одиночных диафрагм различной конфигурации в трубе.

2. Влияние динамической и тепловой предыстории потока на турбулентное отрывное течение и теплообмен в цилиндрическом канале с внезапным расширением.

3. Результаты численного исследования влияния степени расширения и продольного градиента давления на теплообмен в круглом канале с внезапным расширением.

4. Анализ перспективы интенсификации теплообмена в круглой трубе с внезапным расширением при наличии дополнительного интенсификатора.

Апробация работы.

Основные результаты диссертации были представлены на 15-ти всероссийских и международных конференциях: IX, X, XI Всероссийских школах-конференциях молодых учёных «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (Россия, Новосибирск, 2006, 2008, 2010); XVI, XVII, XVIII, XIX Школах-семинарах молодых учёных и специалистов под руководством ак. А.И. Леонтьева (Россия, 2007, 2009, 2011, 2013) Всероссийская школа-семинар молодых учёных «Физика неравновесных процессов в энергетике и наноиндустрии». (Россия, Новосибирск, 2007); VI Минский Международный Форум по тепломассообмену. (Беларусь, Минск, 2008); VI Школа-семинар молодых учёных и специалистов под руководством академика РАН В.Е. Алемасова (Россия, Казань, 2008); 6th, 7th International Conferences on Computational Heat and Mass Transfer. (China, 2009; Turkey, 2011); XXII Юбилейный семинар с международным участием по струйным, отрывным и нестационарным течениям (Россия, Санкт-Петербург. 2010); 14-th Int. Heat Transfer Conf., Washington D.C., USA. 2010; Advances in Computational Heat Transfer, CHT-12 (Bath, England 1-6 July 2012).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 25 работ: из них 5 - в изданиях, вошедших в перечень ВАК; 2 - в научных зарубежных журналах; 18 - в сборниках зарубежных и отечественных научных конференций.

Личный вклад автора заключается в анализе существующих теоретических, экспериментальных и численных работ по теме диссертации; адаптации программного комплекса для расчёта турбулентных отрывных течений; проведении численных исследований; обработке и анализе полученных результатов; оформлении публикаций по результатам исследований.

Структура, объем и содержание диссертации

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованных источников из 142 наименований. Полный объем диссертации - 170 страниц, включая 89 рисунков и 4 таблицы.

В первой главе на основании анализа существующих экспериментальных, расчётных и теоретических работ представлено современное состояние вопроса по изучению характеристик отрывных течений в ограниченных каналах и трубах. Дана классификация отрывных течений и показаны механизмы вихреобразования в потоках. Выделены основные параметры влияющие на структуру отрывного течения и характеристики теплообмена. Недостаток информации о влиянии вышеперечисленных параметров явился основанием для проведения систематического численного исследования.

Во второй главе описаны инструменты численного исследования, методы расчёта турбулентных отрывных течений и оценка погрешностей. Подробно рассмотрены различные модели турбулентности и проведен анализ выбора модели для данного исследования. Представлены результаты тестирования и сопоставление расчётов с экспериментальным материалом. В целом, удалось достичь хорошего соответствия расчётных и экспериментальных данных для интересующего класса задач.

Третья глава посвящена численному исследованию влияния геометрии одиночного интенсификатора на динамику отрывного течения и теплообмен в цилиндрической трубе. Рассматриваются одинаковые по высоте и различные по форме поперечного сечения турбулизирующие элементы, выбранные для сопоставительного анализа, как наиболее часто используемые при конструировании теплооб-менных аппаратов. Рассмотрение единичного элемента позволяет существенно глубже изучить физику явления. Представлены данные по теплогидравлической

эффективности, которая играет наиболее важную роль для практических приложений.

В четвертой главе описаны результаты исследования влияния динамической и тепловой предыстории на отрыв, присоединение и дальнейшее развитие течения в трубе с внезапным расширением. Показано, что в отличие от безотрывного течения, предыстория потока играет существенную роль при отрыве, присоединении и дальнейшем развитии потока. Установлено, что увеличение толщины динамического пограничного слоя приводит к росту масштаба рециркуляционной области, и к снижению интенсивности теплообмена. При наличии теплового пограничного слоя теплообмен после внезапного расширения становится менее интенсивным. Получены обобщающие зависимости, которые рекомендуется использовать в инженерных расчётах.

В пятой главе приведены результаты численного исследования влияния степени расширения и продольного градиента давления на динамические и тепловые характеристики потока. Показано, что при увеличении степени расширения теплообмен становится менее интенсивным, координаты точек присоединения и №1тах сдвигаются вниз по потоку. Представлена корреляционная формула, которая позволит рассчитывать отрывное течение с учётом степени расширения канала. Показано, что рост продольного градиента давления приводит к увеличению размеров отрывной области и значительному снижению теплоотдачи.

В шестой главе представлены результаты исследования пассивного управления отрывным течением, как способа повышения теплоотдачи с использованием дополнительных турбулизирующих элементов, существенно меньших геометрических масштабов, чем основное препятствие, вызывающее отрыв потока. Установлено что дополнительный турбулизирующий элемент приводит к кардинальным изменениям структуры рециркуляционной зоны, смещению точки присоединения потока и, соответственно, к перераспределению коэффициентов тепломас-соотдачи. Данные численного эксперимента свидетельствуют о значительных потенциальных возможностях подобного метода управления тепломассообменом.

ГЛАВА 1

ОТРЫВНЫЕ ТЕЧЕНИЯ И ИХ ОСОБЕННОСТИ. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

Отрыв потока жидкости или газа - одно из многих характерных свойств вязкого течения - весьма важное и сложное явление. При отрыве потока линия тока отклоняется, сопротивление растёт, образуется обратное течение и застойная зона, происходят потери энергии. Поэтому явление отрыва потока во многих задачах рассматривалось как нежелательное и даже вредное, например, в сопле ракетного двигателя, обтекание крыла самолёта и его элементов, лопаток турбин и т.д. В этих случаях все усилия направлялись на предотвращение отрыва, его «ослабление» или «затягивание». Однако отрыв потока может быть полезен и даже необходим. С этой точки зрения, турбулентные отрывные течения уже давно привлекают к себе пристальное внимание исследователей ввиду их чрезвычайной практической важности. Действительно, течения такого рода имеют место в ядерных реакторах, газовых турбинах, электронной аппаратуре, теплоотдающих устройствах, проточных трактов авиационных и ракетных двигателей, сопел и воздухозаборников летательных аппаратов и генераторах низкотемпературной плазмы [2, 12, 15, 29, 30, 45]. Так, управляя отрывом, улучшают полётные характеристики летательных аппаратов, совершенствуют работу газотурбин, увеличивают теплоотдачу в теплообменных аппаратах и др. Для различных инженерных приложений представляют интерес данные об условиях течения в области присоединения и о последующем развитии присоединившегося пограничного слоя. Присоединение потока может быть причиной существенного изменения локального коэффициента теплоотдачи, а так же вызывать значительный рост суммарной теплоотдачи. Установлено, что наличие циркуляционного пристеночного слоя в отрывном течении за обратным уступом или внезапным расширением круглой трубы сильно влияет на процесс энергообмена. Эксперименты [10, 31, 40, 44, 81] показали, что в пределах зоны

циркуляции коэффициент теплоотдачи в 3 - 5 раз выше, чем при безотрывном течении. Эту интенсификацию теплообмена в принципе следует связывать с увеличением кинетической энергии турбулентности в продольном направлении в слое смешения [18].

Отрывные течения относятся к наиболее часто встречающимся и в то же время наиболее трудным для исследования движениям реальной жидкости. Несмотря на все достижения гидромеханики, включая классическую теорию пограничного слоя, полный расчёт отрывных течений считался достаточно трудным, и исследования таких течений ограничивалось наблюдением и моделированием в лабораторных условиях. В связи с этим в современных монографиях либо практически отсутствуют разделы, посвящённые отрывным течениям, либо содержат чисто эмпирические сведения о них. Монография [77] является первой работой, специально посвящённой отрывным течениям, где автор представил материалы, описывающие как сущность отрывного явления, методы расчёта, так и непосредственные результаты экспериментальных исследований отрыва. Большое внимание в ней уделено анализу существующих методов расчёта. Этим же автором освящена актуальная до сегодняшнего дня проблема управления отрывными течениями [77].

Аналитический подход к описанию турбулентных отрывных течений весьма сложен и этот вопрос является актуальным на протяжении долгого времени, вплоть до сегодняшних дней. Так как отрывные и рециркуляционные течения характеризуются следующими свойствами: 1) нет единого преимущественного направления движения, т.е. в выбранной системе координат может возникать (и обычно возникает) обратное течение; 2) турбулентный перенос играет существенную роль во всех координатных направлениях. Поэтому рециркуляционные течения описывают эллиптическими дифференциальными уравнениями Навье-Стокса. Пока нет такого численного метода, который мог бы описать все временные и линейные масштабы турбулентности, и необходимо решить уравнения для осреднённых по времени величин, содержащие неиз-

вестные соотношения для конвективного переноса. Решение этих нелинейных уравнений возможно только после того, как будет выбрана модель турбулентности, указывающая, как найти эти соотношения. Точность расчёта параметров турбулентности в значительной мере зависит от точности этих моделей. Другими словами, уравнения не дают полного описания явления, и необходимо разрабатывать модели, основанные на простых физических соображениях, для того чтобы устранить различие между уравнениями и действительными течениями.

Стоит отметить, что экспериментальные исследования в данной области являются сложными, многофакторными, энерго- и материалозатратными, а следовательно - дорогостоящими. Тем более, существуют трудности проведения экспериментов в цилиндрической трубе, которые возникают из-за оптических искажений, связанных с криволинейностью стенки трубы [19]. В связи с этим, эксперименты проводятся в каналах прямоугольного сечения, течение в которых носит ярко выраженный трёхмерный характер. В случае внезапного расширения это приводит к тому, что по периметру вихревые зоны имеют различную протяжённость [81]. А так же, влияние боковых стенок настолько велико, что вносит заметное искажение даже при очень малой степени расширения [112].

В работе [130], рассматривающей случай отрыва потока в прямоугольном канале с симметричным внезапным расширением, явно показано, что отрывные зоны имеют существенное отличие по длине, и чем выше число Рей-нольдса, тем сильнее проявляется это несоответствие.

В связи с перечисленными трудностями экспериментального исследования отрывных течений, за последнее десятилетие резко возросло количество расчётных работ по данной тематике [11, 12, 23, 32, 103, 108, 117, 118, 119, 130]. Этому способствовало интенсивное развитие компьютерной техники и прикладного программного обеспечения. На сегодняшний день, в научных и

прикладных исследованиях всё чаще используются универсальные пакеты прикладных программ: CFX, Flowvision, StarCD, FLUENT.

В проблеме повышения энергетической эффективности различных тепло-обменных устройств важное место занимает задача интенсификации теплообмена. При её инженерных решениях на обтекаемые теплообменные поверхности часто наносятся выступы различной конфигурации. Интенсификация теплообмена данным способом основана на возмущении пристенной зоны потока вихреобразованием при отрывном обтекании выступов и эффектами обновления пограничного слоя за каждым выступом. Однако, при использовании таких интенсификаторов теплообмена часто проявляется склонность энергоустановок к неустойчивой работе. Источником неустойчивости являются возмущения, генерируемые отрывным течением, образующимся при обтекании выступа.

В настоящее время делаются попытки создания методов инженерных расчёта отрывных течений [4, 16, 24, 54, 60, 69, 141 ], которые бы с достаточной точностью предсказывали бы все основные характеристики таких потоков. Однако, ни один из этих методов не является универсальным. В том плане, что использование их ограничено геометрией канала, формами интенсифицирующих элементов и режимами течения.

В современных условия и в перспективе один из главных путей повышения экономичности энергоустановок - совершенствование теплообменного оборудования, реализовать которое можно с помощью внедрения эффективных способов интенсификации теплообмена.

Скорость загрязнения интенсифицированного теплообменного оборудования уменьшается в три-пять раз, это обеспечивает соответственное продление срока работы оборудования между чистками, а так же снижение финансовых расходов на чистки [21].

Важным направлением исследований в области отрывных течений в настоящее время является изучение методов управления отрывным течением.

1.1. Процессы динамики и тепломассопереноса в отрывном течении за обратным уступом.

Исследование отрыва потока, вызванного телом наиболее изученной геометрии - уступом, является достаточно сложным, что свидетельствует о непростой природе отрывных течений в общем случае.

Отрыв и присоединение потока можно разделить на пять взаимодействующих зон (рис 1.1): оторвавшийся свободный сдвиговый слой 1; область присоединения сдвигового слоя к поверхности 2; зона рециркуляции, состоящая из основного 3 и вторичного 4 вихрей; область релаксации 5. Свободный сдвиговый слой и релаксационная область имеют некоторые подобия с хорошо изученными случаями течения, такими как слой смешения и пограничный слой. А зоны рециркуляции и присоединения потока являются в этом смысле уникальными.

7Ш/ШШ//////Ш?/

Рис. 1.1. Структура отрывного течения в области внезапного расширения в круглой трубе.

Оторвавшийся свободный сдвиговый слой в начале отрывной зоны по своим гидродинамическим и температурным характеристикам во многом сходен с обычным плоским слоем смешения. Толщина сдвигового слоя, начинающегося на срезе трубы меньшего диаметра в сечении внезапного расширения, быстро увеличивается вплоть до точки присоединения, находящийся на расстоянии ~9 высот уступа от расширения. Аналогично происходит увеличение толщины теплового слоя смешения сразу же за уступом, о чём можно судить по профилям средней температуры [10]. Кривизна разделяющей линии тока мала, а сдвиговый слой достаточно тонкий, чтобы на него влияла близость стенки. Однако сдвиговый слой имеет одно важное отличие от плоского слоя смешения - поток с низкоскоростной стороны сильно турбулизирован в противополож-

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Богатко, Татьяна Викторовна, 2013 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Адаме Э.В., Джонстон Дж.П. Структура течения в пристеночной зоне турбулентного отрывного течения // Аэрокосмическая техника. - 1989. -№5.-С. 3-13.

2. Алемасов В.Е., Глебов Г.А., Козлов А.П. Термоанемометрические методы исследования отрывных течений. - Казань: Казанский филиал АН СССР, 1989, с.178.

3. Амано, Дженсен, Гоэл. Численное и экспериментальное исследование турбулентного теплообмена ниже по потоку от места расширения трубы // Теплопередача, 1983, т. 105, №4. С. 179-187.

4. Анисин А.К. Теплоотдача и сопротивление трубчатой поверхности с двусторонними сфероидальными элементами шероховатости // Изв. ВУЗов Энергетика. - 1983. №3, С. 93-96.

5. Батенко С.Р., Терехов В.И. Влияние динамической предыстории потока на аэродинамику отрывного течения за обратным прямоугольным уступом. // ПМТФ, №6, 2002, с 84-92.

6. Белоцерковский С.М. Математическое моделирование плоскопараллельного отрывного обтекания тел. С.М. Белоцерковский, В.Н. Котовский, М.И. Ништ, Р.М. Фёдоров. - М.: Наука, 1988. - 232 с.

7. Богатко Т.В. Численное исследование теплообмена в трубе с диафрагмами // IX Всероссийская школа-конференция молодых учёных: материалы конференции. - Новосибирск, 2006, с. 22-24.

8. Богатко Т.В., Терехов В.И. Численное исследование интенсификации теплообмена при турбулентном обтекании одиночных диафрагм различной формы в трубе. Труды XVI Школы-семинара молодых учёных и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках».-М.: Издательский дом МЭИ, 2007. Том 2, с. 420-424.

9. Богатко Т.В., Терехов В.И. Халатов A.A. Структура течения и теплообмен при турбулентном обтекании одиночных преград различной формы в трубе// Тепловые процессы в технике. - 2012. Т.4.№ 4. с. 146-155

10. Бон, Хоффман, Такахаси, Лондер. Местный теплообмен за резким расширением круглого канала при постоянной плотности теплового потока на стенке// Теплопередача, 1984, №4, с. 91-98.

11. Бубенчиков A.M., Комаровский Л.В., Харламов С.Н. Математические модели течения и теплообмена во внутренних задачах динамики вязкого газа. Томский Государственный Университет им. В.В. Куйбышева, 1993 г., 182 с.

12. Быстров А. Ю. Численное моделирование вихревой интенсификации теплообмена в пакетах труб / Ю. А. Быстров, С. А. Исаев, Н. А. Кудрявцев, А. И. Леонтьев. - СПб.: Судостроение, 2005, 392 с.

13. Волчков Э.П., Семёнов C.B. Основы теории пограничного слоя // Учебное пособие. Новосибирск, РАН. Институт теплофизики. 1994.224с.

14. Гогиш Л.В., Степанов Г.Ю. Турбулентные отрывные течения. - М.: Наука. - 1979.-С. 368.

15. Гортышов Ю.Ф., Олимпиев В.В., Попов И.А. Эффективность промышленно перспективных интенсификаторов теплоотдачи // Изв. РАН. Энергетика. 2002. № 3. С. 102.

16. Гортышов Ю.Ф., Попов И.А. Научные основы расчёта высокоэффективных компактных теплообменных аппаратов с рациональными интенсификаторами теплоотдачи // Теплоэнергетика. -2006.-№4, С. 2-14.

17. Гортышов Ю.Ф., Попов И.А., Усенков P.A. Теплоотдача свободноконвективных течений при наличии поверхностных интенсификаторов // Изв. ВУЗов. Авиационная техника. - 2003. - №3. С. 29-32.

18. Гурей, Уоткинс, Аунг. Расчёт теплообмена в турбулентном потоке при обтекании обратного уступа в трубе с внезапным расширением.// Теплопередача, 1985, т 107, № 1, с 65-72.

19. Даррет, Стивенсон, Томпсон. Измерения с помощью ЛДИС радиальной и продольной составляющих скорости в осесимметричном турбулентном потоке воздуха за внезапным расширением сечения трубы// Современное машиностроение, 1989 г, серия А, № 7, с 1-7.

20. Драйвер Д.М., Сигмиллер Х.Л., Марвин Дж.Г. Нестационарные процессы в присоединяющемся слое смешения // Аэрокосмическая техника. - 1988, №3. - С. 35-42.

21. Дрейцер Г.А. Современные проблемы интенсификации теплообмена в каналах //ИФЖ. 2001. Т. 74. №4. С. 33-40.

22. Дрейцер Г.А., Исаев С.А., Лобанов И.Е. Расчёт конвективного теплообмена в трубе с периодически расположенными поверхностными турбулизаторами потока.// Теплофизика высоких температур 2005, Т. 43. №2. с. 223-230.

23. Дрейцер Г.А., Лобанов И.Е. Моделирование предельного теплообмена при комбинированной интенсификации теплообмена кольцевыми турбулизаторами и ленточными завихрителями. // Известия РАН, сер. Энергетика, №1. 2005. с. 92-100.

24. Дубровский Е.В. Метод относительного сравнения теплогидравлической эффективности теплообменных поверхностей // Известия АН СССР Энергетика и Транспорт. - 1977. - №6, С 118-126.

25. Дыбан Е.П., Эпик Э.Я., Юшина Л.Е. Теплообмен на прдольно обтекаемой пластине при наличии отрыва и турбулизации внешнего потока // Пром. Теплотехника. - 1995. - Т. 17, №1-3. - С. 3-12.

26. Евенко В.И., Шишков В.М., Анисин А.К. Влияние формы и расположения шероховатости на эффективность теплоотдачи в трубах // Энергомашиностроение. 1977. -№7. - С. 14-16.

27. Жданов Р.Ф. Влияние повышенной внешней турбулентности на аэродинамику и теплообмен отрывных течений. - Дисс. к.т.н. -Новосибирск. 2002.

28. Жукаускас A.A. Конвективный перенос в теплообменниках. - М.: Наука, 1982. 472 с.

29. Жуков М.Ф., Солоненко О.П. Высокотемпературные запыленные струи в процессах обработки порошковых материалов // Институт теплофизики СО АН СССР, Новосибирск 1990 г., 516 с.

30. Жуков М.Ф. Электродуговые генераторы плазмы и технологии // Институт Теоретической и Прикладной Механики СО РАН. Жуков М.Ф., Задворнев Г.А., Столбов В.И., Тимошевский А.Н., Солоненко О.П. Новосибирск, 1997 г., 175 с.

31. Земаник, Дугалл. Местный теплообмен за участком расширения круглого канала // Теплопередача, 1970 г, № 1-2, с 54-62.

32. Зубков П.Т., Тарасова E.H. Гидродинамика и теплообмен в канале с кольцевыми рёбрами // Теплофизика высоких температур. - 2004. - Т. 42, №6. С. 917-920.

33. Исомото, Хонами. Влияние интенсивной входной турбулентности на процесс присоединения при обтекании обратного уступа // Современное машиностроение. - 1989. - Серия А, №10. - С. 97-104.

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

35. Калинин Э.К., Дрейцер Г.А., Ярхо С.А. Интенсификация теплообмена в каналах. М.: Машиностроение, 1990.

36. Калинин Э.К., Ярхо С.А. Влияние чисел Рейнольдса и Прандтля на эффективность интенсификации теплообмена в трубах // Инженерно-физический журнал. - 1966. - Т. XI, №4. С. 426-431.

37. Калинин Э.К., Дрейцер В.А., Кузьминов В.А., Неверов A.C. О влиянии высоты и шага размещения турбулизаторов на интенсификацию теплообмена в трубе // ВЕСЦ1 АН ССР. - 1971. - №3, С. 31-35.

38. Касанат К., Гарднер Дж.Г., Борис Дж.П., Оран Э.С. Расчёт взаимодействия звуковых волн с крупными вихрями в камере сгорания ПВРД с резким расширением на входе // Аэрокосмическая техника. -1988.-№7.

39. Козлов А.П. Проявление трёхмерности в двумерных отрывных течениях // Доклады академии наук. - 1994. - Т. 338, №3, С. 337-339.

40. Комаров П. Д., Поляков А. Ф. Исследование характеристик турбулентности и теплообмена за обратным уступом в щелевом канале. -Препринт ИВТАН №2 - 396. - М., 1996. 70 с.

41. Кочин Н.Е., Кибель И.А., Розе Н.В. Теоретическая гидромеханика, часть 1 // 584 стр. М.: Физматгиз, 1963.

42. Крал, Спэрроу. Турбулентный теплообмен в областях отрыва и присоединения потока и развития течения после присоединения в круглой трубе. Теплопередача, т. 88, №1, 1966, с. 145.

43. Краснов Н.Ф., Кошевой В.Н., Калугин В.Т. Аэродинамика отрывных течений. - М.: Высшая школа. - 1988. - С. 351.

44. Кталхерман М.Г. Исследование турбулентных отрывных течений в канале. - Дисс. к.т.н. - Новосибирск. 1970.

45. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. - Нск.: Наука, 1970. - 659 с.

46. Кэйс В.М. Конвективный тепло - и массообмен //М. «Энергия».- 1972.448 С.

47. Кюн Д.М. Влияние положительного градиента давления на характеристики присоединяющегося течения несжимаемой жидкости над уступом // РТиК, 1980, т. 18, №4, с.268-269.

48. Лариков H.H. Общая теплотехника // М., Стройиздат, 1975. С.559.

49. Ларичкин В.В., Яковенко С.Н. Влияние толщины пограничного слоя на структуру пристенного течения с двумерным выступом// Прикладная механика и техническая физика. 2003. Т.44, №3. С 76-84.

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

51. Леонтьев А.И., Ивин В.И., Грехов Л.В. Полуэмпирический способ оценки уровня теплообмена за точкой отрыва пограничного слоя // ИФЖ, 1984, т.47, №4, с.543-550.

52. Леонтьев А.И., Олимпиев В.В. Теплофизика и теплотехника перспективных интенсификаторов теплообмена (обзор) // Изв. РАН, Энергетика. 2011, № 1. С. 7-31.

53. Лобанов И.Е. Математическое моделирование интенсифицированного теплообмена при турбулентном течении в каналах / Автореферат дисс. Д.т.н. Москва - 2005.

54. Мигай В.К. Об интенсификации конвективного теплообмена в каналах путём применения искусственной турбулизации потока // Известия АН СССР Энергетика и Транспорт. - 1965. №6, С 123-131.

55. Мигай В.К., Новожилов И.Ф. Теплообмен в трубах с внутренними поперечными выступами // Изв. ВУЗов. Энергетика. - 1965. - №11. С. 3643.

56. Михайлов А.И., Борисов В.В., Калинин Э.К. Газотурбинные установки замкнутого цикла. М.: АН СССР, 1962. - 345 с.

57. Михеев М.А., Михеева И.М., Основы теплопередачи // М.: Энергия. 1977. С.344.

58. Молочников В.М., Михеев Н.И., Душина О.А. Моделирование отрывных течений при помощи пакета Fluent: проблемы верификации // Теплофизика и Аэромеханика.-2009.-т.16.- №3.- С.387-394.

59. Мун, Рудингер. Распределение скорости в канале круглого сечения с внезапным расширением // Теплопередача, 1977 г, № 1, с 326-331.

60. Олимпиев В.В, Якимов Н.Д. Расчёт теплообмена и трения в канавках, поперечных турбулентному потоку // Теплоэнергетика. - 2002. - №3, С 28-32.

61. Ота, Кон. Теплообмен в областях отрыва и последующего присоединения течения при обтекании плоской пластины с затупленной передней кромкой // Теплопередача. - 1964. - Т.86, Серия С, №2. - С. 154-161.

62. Павловский В.Г. К вопросу о влиянии конфигурации турбулизаторов на тепловую эффективность поверхности стенки каналам/Инженерно-физический журнал. 1969, Т. 17. №1, с. 155-159.

63. Пимента, Моффет, Кэйс. Структура пограничного слоя на шероховатой стенке при наличии вдува и теплообмена // Теплопередача. - 1979. - Т. 101, №2. С. 3-9.

64. Попов И.А. Интенсификация теплообмена. Физические основы и промышленное применение интенсификации теплообмена. Казань: КГТУ им. А.Н. Туполева, 2009, 560 с.

65. Пядиппос А., Шланчяускас А. Турбулентный теплоперенос в пристенных слоях. - Вильнюс: МОКЛАС. - 1987. - С.239.

66. Рокуэлл Д. Колебания сдвиговых слоев, взаимодействующих с препятствиями // Аэрокосмическая техника. - 1984. -Т.2, №2. - С. 12-38.

67. Секи, Фукусако, Хирата. Турбулентные пульсации и теплообмен при течении с отрывом за двойным уступом на входе в расширяющийся плоский канал // Теплопередача. - 1976. - Т.98, №4. - С. 60-65.

68. Симпсон. Обзор некоторых явлений, возникающих при отрыве турбулентного потока // Теоретические основы инженерных расчётов. -1981. -Т.103, №4. -С. 131-149.

69. Скаггз, Тейлор, Коулман. Измерение и расчёт влияния однородной шероховатости стенок на коэффициент трения // Современное машиностроение. - 1989. - Сер. А. № 7. - С 21-28.

70. Терехов В.И., Богатко Т.В. Влияние толщины пограничного слоя перед отрывом потока на аэродинамические характеристики и теплообмен за внезапным расширением в круглой трубе.// Теплофизика и аэромеханика, №1,2008.

71. Терехов В.И., Ярыгина Н.И., Жданов Р.Ф. Особенности течения и теплообмена при отрыве потока за уступом и ребром. 1. Структура течения // Прикладная механика и техническая физика. 2002. Т.43, №6. С. 126-133.

72. Терехов В.И., Ярыгина Н.И., Жданов Р.Ф. Особенности течения и теплообмена при отрыве потока за уступом и ребром. 2. Теплообмен в отрывном течении // Прикладная механика и техническая физика. 2003. Т.44, №4. С. 83-94.

73. Терехов В.И., Ярыгина Н.И., Смульский Я.И. Обтекание системы из нескольких рёбер в условиях высокой турбулентности // Теплофизика и Аэромеханика. - 2006. - Т. 13, №2. С 361-367.

74. Фогель, Итон. Комбинированные измерения теплоотдачи и гидродинамических характеристик за обратным уступом // Теплопередача. - 1985. -Т.107, №4. С. 152-159.

75. Хан. Теплообмен и трение в каналах с двумя оребренными противоположными стенками. Теплопередача, 1984, т. 106, № 4.

76. Цзоу, Чжэнь, Онг. Исследование гидродинамики и теплоотдачи на начальном этапе развития печения за обратным уступом // Современное машиностроение. - 1991. - Сер. А. № 10. - С 25-32.

77. Чжен П.Отрывные течения, т.2 // 280 стр. М.: Мир, 1973.

78. Чжен П. Управление отрывом потока. -М.: Мир, 1979. - 552 с.

79. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя // Москва. 1956. С.528.

80. Штигльмайер, Тропеа, Вайзер, Нитше. Экспериментальное исследование течения через осесимметричные расширения // Современное машиностроение. - 1990. - Сер. А. №6. - С 60-68.

81. Эббот Д.Е., Клайн С.Дж. Экспериментальное исследование дозвукового турбулентного течения при обтекании одинарных и двойных уступов // Техническая механика.- 1962.-Т.84, Серия Е, №3, с. 20 - 28.

82. Adams E.W., Johnston J.P. Effects of the separating shear layer on the reattachment flow structure. Pt.l: Pressure and turbulence quantities // Experiments in Fluids. - 1988. - V.6, № 6. - P. 400-408.

83. Adams E.W., Johnston J.P. Effects of the separating shear layer on the reattachment flow structure. Pt.2: Reattachment length and wall shear stress // Experiments in Fluids. - 1988. - V.6, № 7. - P. 493-499.

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

85. Bernal L.P., Rochko A. Streamwise vortex structure in plane mixing layer // J. Fluid Mech. - 1986. - V.170. - P. 499 - 525.

86. Beves C.C., Barber T.J., Leonardi E. An Investigation of Flow over a Two-Dimensional Circular Cavity / 15th Australasian Fluid Mechanics Conference, Sydney, Australia. 2004.

87. Bradshow P. The effect of initial conditions on the development of a free shear layer// J. Fluid Mech. - 1966. - v.26, Pt.2 - p. 225-236.

88. Bradshow P., Wong F.Y.F. The reattachment and relaxation of a turbulent shear layer // J. Fluid Mech. - 1972. - V.52. - P. 113-135.

89. Castro I.P., Haque A. The structure of a turbulent shear layer bounding a separation region // J. Fluid Mech. - 1987. - V.179. - P. 439-468.

90. Chandra P.R., Han J.C. Effect of rib profiles on turbulent channel flow heat transfer // AIAA J. Thermoph. Heat Transfer. 1998. V.12. P. 116-118.

91. Chen Y.T., Nie H.J., Armaly B.F. Turbulent separated convection flow adjacent to backward-facing step - effects of step height // International journal of heat and mass transfer. - 49. 2006. pp. 33670-3680.

92. Cherry N.J., Hillier R., Latour M.E.M. Unsteady measurements in a separated and reattachment flows // J. Fluid Mech. - 1984. - V.144. - P. 13-46.

93. Chieng C.C., Launder B.E. On the calculation of turbulent heat transport downstream from an abrupt pipe expansion// Numerical Heat Transfer. - 1980. - V.3, №1. P. 189-207.

94. Cutler A.D., Johnston J.P. The relaxation of a turbulent boundary layer in an adverse pressure gradient // J. Fluid Mech. - 1989. - V.200. - P. 367-387.

95. Driver D.M., Seegmiller H.L. Features of a reattaching turbulent shear layer subject to an adverse pressure gradient// AIAA-82-1029. - v.22, No.12 - p. 1727-1732.

96. Driver D.M., Seegmiller H.L. Features of a reattaching turbulent shear layer in divergent channel flow// AIAA Journal Vol. 23, No. 2, February 1985, pp. 163-171.

97. Eaton J.K., Johnston J.P., Jeans A.N. Measurements in a reattaching turbulent shear layer // Proc. of the 2nd Symposium of turbulent Shear Flows, London, 1979.

98. Eisamard S., Changcharoen W. Analysis of turbulent heat transfer and fluid flow in channels with various ribbed internal surfaces // J. of Thermal Science. 2011.V.20. P.260-267.

99. Ethereridge D.W., Kemp P.H. Measurements of turbulent flow downstream of a rear warding-facing step // J. Fluid Mechanics, 1978, v.86, pt.3, p.545 - 566.

100. Furuichi N., Takeda Y., Kumada M. Spatial structure of the flow through an axisymmetric sudden expansion. Experiments in Fluids 34, 2003, pp. 643 -650.

101. Grace S.M., Dewar W.G., Wroblewski D.E. Experimental investigation of the flow characteristics within a shallow wall cavity for both laminar and turbulent upstream boundary layers // Experiments in Fluids. - 2004. №36, P. 791-804.

102. Graddar N.K., Griner M.P., Mikie B.B. Heat transfer enhancement by oscillatory perturbation of a stable separated flow // Int. Comm. Heat and Mass Transfer. 1985. V.12. P. 369-379.

103. Greiner M., Fisher P.F., Tufo H. Numerical simulation of resonant heat transfer of augmentation at low Reynolds numbers// J. of Heat Transfer, 2002, V. 124, Pp. 1169-1175.

104. Han J.C. Heat transfer and friction in channels with two opposite rib-roughened walls // J. of Heat Transfer, 1974, V.106, P. 774-781.

105. Hattori H., Umehara T., Nagano Y. Comparative Study of DNS, LES and Hybrid LES/RANS of Turbulent Boundary Layer with Heat Transfer Over 2d Hill // Flow Turbulence Combust (2013) 90:491-510.

106. Janour Z., Jonas P. On the flow in a channel with a backward-facing step on one wall // Engineering mechanics. - 1994. - V.l, № 5/6. - P. 313-320.

107. Kiya M., Sasaki K. Structure of a turbulent separation bubble // J. Fluid Mech. - 1983.-V.137.-P. 83-113.

108. Kondoh T., Nagano Y., Tsuji T. Computational Study of laminar heat transfer downstream of a backward - facing step // Int. J. Heat and Mass Transfer, 1993, v.36, no.3, p. 577-591.

109. Kottke V. Influence of temperature and concentration boundary layers at separation on heat and mass transfer in separated flows. // Proc. Int. Heat Transfer Conf., Munich, 1982, v. 3, p. 177-182, (Paper FC32).

110. Kuehn D.M. Effects of adverse pressure gradient on the incompressible reattaching flow over a rearward-facing step// Technical notes, vol. 18, No. 3, March 1980, pp. 343-344.

111. Ligrani P.M., Olivera M.M., Blaskovich T. Comparison of heat transfer augmentation techniques // AIAA J. 2003, V.41, №3, P. 337-362.

112. Lim K.S., Park S.O., Shim H.S. A Low Aspect Ratio Backward-Facing Step Flow. Experimental Thermal and Fluid Science, 1990, 3, pp. 508 - 514.

113. Menter F.R.Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications// AIAA-Journal, 32(8), pp. 269-289, 1994.

114. Menter F. R., Kuntz M., Langtry R. Ten Years of Industrial Experience with the SST Turbulence Model// Turbulence, Heat and Mass Transfer 4, 2003.

115. Miau, J.J., Lee, K.C., Chen, M.H., Chou, J.H. Control of separated flow by a two-dimensional oscillating fence. AIAA J. 1991. Vol. 29. pp. 1140-1148.

116. Miyake Y., Tsujimoto K., Nagai N. Numerical simulation of channel flow with a rib-roughened wall // Journal of Turbulence. - 3 (2002) 035.

117. Narayanan, M.A.B., Khadgi, Y.N., and Viswanath, P. Similarities in Pressure Distribution in Separated Flow behind Backward-Facing Steps // Aeronautical Quarterly, v.25, 1974, p. 305-312.

118. Neumann J., Wengle H. DNS and LES of Passively Controlled Turbulent Backward-Facing Step Flow.// Flow, Turbulent and Combustion 71, 2003. Pp 297-310.

119. Nigim H.H., Cockrell D.J. Effects caused by small discrete two-dimensional roughness elements immersed in turbulent boundary layer// J. Fluid Mech. -1985, vol 153, pp. 17-30.

120. Ota T. A Survey of Heat Transfer in Separated and Reattached Flows // Appl. Mech. Rev. 2000. V. 53. P. 219.

121. Ota T., Fu H.G., Yoshikawa H. Effects of aspect ratio on turbulent heat transfer around a downward facing step. Grenoble, 2002, vol. 2, pp. 723 - 728.

122. Ota T., Nishiyama H. A correlation of maximum turbulent heat transfer coefficient in reattachment flow region // Int. J. Heat and Mass Transfer, 1987, v.30, No.6, p.p. 1193-1200.

123. Park H. et al. Mixing enhancement behind a backward-facing step using tabs //Physics of fluids 19, 105103. 2007.

124. Patel R.P. Effect of stream turbulence on free shear flows // Aeronautical Quarterly. - 1978. - V.29, Pt.l. - P. 1-17.

125. Prudhomme M., Elghobashi S. Turbulent heat transfer near the reattachment of flow downstream of a sudden pipe expansion. Numerical Heat Transfer, 1986, vol. 10, pp. 349-368.

126. Ra S.H., Chang P.K. Effects of pressure gradient on reattaching flow downstream of a reward-facing step // AIAA Engineering notes. 1990. pp. 9395.

127. Ra S.H., Chang P.K. Effects of pressure gradient on reattaching flow downstream of a reward-facing step// J. AIRCRAFT, Vol. 27, No. 1, January 1990, pp. 93-95.

128. Ruderich R., Fernholz H.H. Ah experimental investigation of a turbulent shear flow with separation, reverse flow, and reattachment // J. Fluid Mech. - 1986. -V.163.-P. 283-322.

129. Schreck E., Schafer M. Numerical study of bifurcation in three-dimensional sudden channel expansions. Computers & Fluids 29, 2000, pp. 583 - 593.

130. Shah M.K., Tachie M.F. Flow relaxation past a transverse square rib in pressure gradients// AIAA Journal, Vol. 46, No. 7, July 2008, pp. 1849-1863.

131. Shan F., Fujishiro A., Tsuneyoshi T., Tsuji Y. Particle image velocimetry measurements of flow field behind a circular square-edged orifice in a round pipe // Exp Fluids (2013) 54:1553.

132. Smits A.J. A visual study of a separation bubble. - In Flow Visualization II. -Ed. Merzkirch W. - Washington, DC: Hemisphere. - 1982. - P. 247-251.

133. So R.M.C. Inlet centerline turbulence effects on reattachment length in axisymmetric sudden-expansion flows. Experiments in fluids, 5, 1987, pp 424 -426.

134. Tani I., Iuchi M., Komoda H., Experimental Investigation of Flow Separation Associated with Step or Groove // Aeronautical Research Institute, University of Tokyo, Report № 364, April 1961, pp. 119-136.

135. Terekhov V.l., Bogatko T.V. Numerical Investigation of Turbulent Heat Transfer in the Pipe with the Various of Sudden Expansion // Proc. of the 6-th Int. Conference on Computational Heat and Mass Transfer (ICCHMT-6), Guangzhou, China. - 18-21 May 2009. - Paper № 235. - P. 326-330.

136. Terekhov V.I, Kalinina S.V., Mshvidobadze Yu.M. Heat transfer coefficient and aerodynamical resistance on a surface with a singe dimple // Enhanced Heat Transfer, 1997, vol 4, №2, pp 131-145

137. Terekhov V.l., Yarygina N.I. Forced convection heat transfer from the bottom of trenches with rectangular or inclined walls // Exper. Heat Transfer, 1996, v.9, pp.133-148

138. Terekhov V.l., Yarygina N.I., Zhdanov R.F. Heat transfer in turbulent separated flows in the presence of high free-stream turbulence // Int. J. Heat Mass Transfer. 2003. V. 46. P. 4535-4551.

139. Wang L., Sunden B. Experimental investigation of local heat transfer in a square duet with various-shaped ribs // Heat Mass Transfer, 2007.V.43.P.759-766.

140. Webb R.L., Eckert E.R.G., Goldstein R.J. Heat transfer and friction in tubes with repeated-rib roughness // Int. J. Heat and Mass Transfer. 1971, v. 14, p. 601-617.

141. Westphal R.V., Johnston J.P. Effect of initial conditions on turbulent reattachment downstream of backward-facing step// AIAA Journal. - 1984. -v.22, No. 12 - p. 1727-1732.

142. Yoshikawa H., Suga T., Ota T. Turbulent heat transfer around a downward-facing step. Effects of step height // 6th World conference on experimental heat transfer, fluid mechanics and thermodynamics. 2005. 3-a-6.

СПИСОК ПРИНЯТЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ:

Di=2'Rj - диаметр входной трубы; D2=2-R2 - диаметр трубы после расширения; ER = (D2/Di) - степень расширения трубы; h - высота диафрагмы, высота уступа; hg - высота минитурбулизатора; д - толщина динамического пограничного слоя; 8(- толщина теплового пограничного слоя; S**{- толщина потери импульса; Nus=a s/Л, число Нуссельта;

а = —---коэффициент теплоотдачи;

Ту, ~ Tq

NuLmax = остах ' L/Л, максимальное число Нуссельта;

Numax ССтах

• Dj /X, максимальное число Нуссельта;

^ = Vs 2 +*^тах > расстояние между точкой отрыва и координатой

максимального значения коэффициента теплоотдачи; qw - плотность теплового потока;

ReDi=wiD]/v- число Рейнольдса, рассчитанное по диаметру входного участка трубы;

ReL-W]L/v- число Рейнольдса, рассчитанное по параметру L; s =(D2-Di)/2 - высота уступа;

Sg - расстояние от края уступа до минитурбулизатора; w1 - среднемассовая скорость во входном участке трубы; w2 - среднемассовая скорость в трубе после внезапного расширения; Т— температура; v - кинематическая вязкость;

Хо - длина стабилизационного участка для динамического пограничного слоя;

Х1- длина стабилизационного участка для теплового пограничного слоя;

Хр>- координата точки присоединения;

Хтах - координата максимального значения Ии\

Ь - длина трубы;

т - длина основания диафрагмы;

к = -У-— - параметр Кейса;

и2 (Их

Ср = 2-(р-р0)/ри - коэффициент давления;

■у

С /2 = ту/рй - коэффициент трения; Я, г-радиус трубы; и — продольная скорость; V - радиальная скорость; а°— угол раствора трубы (канала);

коэффициент гидравлического сопротивления; ^ - касательное напряжение.

Подстрочные индексы:

Я, г — точка присоединения;

О, со- соответствует режиму течения в гладкой трубе; д - соответствует обозначению для минитурбулизатора; тах - соответствует максимальному значению параметра.

Работа выполнялась в лаборатории термогазодинамики ФГБУН Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук. Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю д.т.н., профессору Терехову Виктору Ивановичу за выбор темы исследования, обсуждение полученных результатов на всех этапах работы и помощь при подготовке публикаций. Особая признательность Ярыгиной Надежде Ивановне и Пахомову Максиму Александровичу за консультации и конструктивные замечания по теме диссертации. Благодарю также Калинину Светлану Викторовну, Шарова Константина Александровича и Смульскоого Ярослава Иосифовича за консультации по вопросам экспериментального характера. Огромное спасибо всем сотрудникам лаборатории за неоценимые поддержку и помощь, оказанные в ходе подготовки работы.