Особенности аэродинамики теплообменных поверхностей с цилиндрическими лунками

Abstract

Рассмотрены вопросы гидродинамики около теплообменных поверхностей, формированных цилинд­рическими лунками различной глубины. Известно, что в некотором диапазоне скоростей при обтекании таких поверхностей нарушается аналогия Рейнольдса и приращение теплообмена после структурирования поверхности лунками превышает увеличение гидравлического сопротивления. Одной из причин этого явления есть образование в углублениях вихревых структур с характерными для них осцилляциями. В работе экспериментально определены зависимости чисел Струхаля и коэффициентов гидравлического сопротивления от числа Рейнольдса при обтекании цилиндрических лунок различной глубины. Исследуемые лунки располагались в канале с входом, выполненном по форме сопла Витошинского. Сама лунка представляла собой трубку, изготовленную из пьезокерамики, на поверхности которой напылением были выполнены 4 датчика давления в носовой, кормовой и боковых областях. Подвижный поршень внутри трубки мог занимать различные фиксированные положения, позволяя образовывать лунки различной глубины, без изменения остальных конструктивных особенностей. Поток до лунки был ламинарный. Диапазон чисел Рейнольдса (рассчитанных по диаметру лунки) составлял от 8000 до 21 000 и охватывало область существования в лунке подковообразного и столбообразного вихрей. Получено качественное соответствие опытных данных с результатами предшественников. Максимум гидравлического сопротивления канала с лункой наблюдался при относительной глубине лунки 0,5. Подтверждено возникновение колебаний с частотами, которые могут быть связаны с ударом потока о кормовую часть лунки, вращением вихря в углублении и выбросами вещества из углубления. Показано, что подключение к донной части лунок небольшой дополнительной емкости может привести к заметному демпфированию колебаний и существенному (более чем в 2 раза) уменьшению гидравлического сопротивления канала. Полученные данные могут быть использованы при проектировании поверхностей теплообмена с интенсификацией теплоотдачи.

Розглянуто питання гідродинаміки біля теплообмінних поверхонь, формованих циліндричними лунками різної глибини. Відомо, що у деякому діапазоні швидкостейпри обтіканні таких поверхонь порушується аналогія Рейнольдса та приріст теплообміну після структурування поверхні лунками перевищує відповідне збільшення гідравлічного опору. Однією з причин цього явища є утворення у заглибинах вихрових структур з характерними для них осциляціями. У роботі експериментально визначено залежності чисел Струхаля і коефіцієнтів гідравлічного опору від числа Рейнольдсапри обтіканні циліндричних лунок різної глибини. Досліджувані лунки розташовувалися у каналі з входом, що виконаний за формою сопла Вітошинського. Сама лунка являла собою трубку, виготовлену з пьєзокераміки, на поверхні якої напиленням були виконані 4 датчика тиску у носовій, кормовій та бічних областях. Рухливий поршень усередині трубки міг займати різні фіксовані положення, дозволяючи утворювати лунки різної глибини, без зміни решти конструктивних та режимних параметрів. Потік перед лункою був ламінарний. Діапазон чисел Рейнольдса (розрахованихза діаметром лунки) становив від 8000 до 21000 та охоплював область існування у лунці підковоподібного та стовпоподібного вихорів. Отримано якісну відповідність дослідних даних до результатів попередників. Максимум гідравлічного опору каналу злункою спостерігався при відносній глибині лунки 0,5. Підтверджено виникнення коливань з частотами, що можуть бути пов’язані з ударом потоку об кормову частину лунки, обертанням вихору у заглибині та викидами речовини з заглибини. Показано, що підключення до донної частини лунок невеликої додаткової ємності може привести до помітного демпферування коливань та істотного (більш ніж у 2 рази) зменшення гідравлічного опору каналу. Отримані дані можуть бути використані при проектуванні поверхонь теплообміну з інтенсифікацією тепловіддачі.

The questions about the hydrodynamics of the heat transfer surfaces formed by cylindrical dimples of different depths were observed. It is known that in a certain range of speed at a flow of such surfaces Reynolds analogy is broken and the increment of heat transfer after the surface structuring by dimples exceeds the increase in flow resistance. One reason for this phenomenon is the formation in cavities of the vortex structures with characteristic oscillations. The dependences of the Strouhal number and the coefficients of the hydraulic resistance on the Reynolds number in air streamline under cylindrical dimples of different depths were experimentally determined. The test dimples were located in a channel with an inlet formed in the shape of the nozzle Vitoshynskyj. Dimple itself is a tube made of piezoelectric ceramics, the surface of which were carriedout by spraying 4 pressure sensors at the bow, stern and side areas. Movable piston inside the tube could occupy different fixed positions, allowing forming the dimples of different depths, without changing the rest of the design features. Flow was laminar up to the dimple. Range of Reynolds numbers (calculated from the diameter of the dimple) ranged from 8000 to 21000, covering the region of existence in the dimple as a horseshoe, and columnar vortices. The qualitative agreement of the experimental data with the results of its predecessors was obtained. Maximum flow resistance of the channel with the dimple observed at a relative depth of the dimple equal to 0.5. The occurrence of oscillations with frequencies that can be associated with the impact of the flow on the stern of the dimple, the rotation of the vortex in deepening and ejections from the dimple was confirmed. It is shown that the connection to the bottom of the dimple small additional volume may result noticeable damping oscillations and considerable (more than 2-fold) decrease the hydraulic resistance of the channel. The data obtained can be used in the design of the heat exchanger for the augmentation of heat transfer.