STUDY OF FLOW AERODYNAMICS IN A CHANNEL WITH DUMBBELL-SHAPED DIMPLES

Full Text

Основные методы повышения эффективности теплообменных аппаратов [1-9] можно разделить на два основных типа: пассивные и активные. Пассивные методы интенсификации теплообмена [10] основаны на увеличении поверхности теплообмена поверхностей, например, нанесение ребер, насечек, лунок. Вблизи таких особенностей поверхности образуются вихревые потоки, что приводит к повышению теплоотдачи. К активным методам интенсификации теплообмена в теплообменных аппаратах можно отнести: использование колеблющихся потоков [11] теплоносителя, скачков уплотнения [12], градиента давления, пульсаций охладителя [13] и т.д. Формы лунок, насечек и ребер влияют на теплообменные характеристики: чем больше сопротивление, тем выше теплоотдача. При этом нужно использовать технологичную и экономически выгодную поверхность. Поверхность должна быть не сложной в изготовлении, а соотношение сопротивления и теплоотдачи находится в области оптимальных значений. В настоящее время известны овальные лунки [13], для которых при той же площади «пятна» теплоотдача возрастает более чем в три раза по сравнению с лунками сферического типа. Но, по мнению авторов, и те и другие лунки недостаточно технологичны в производстве. Поэтому в данной работе представлены лунки гантелеобразной формы, их раскрой выполнен на установке лазерной резки, что позволяет достичь высокой точности и производительности. Для достижения еще более высокого результата на разработанный экспериментальный стенд была установлена заслонка с пульсатором, что позволяет сочетать сразу два вида воздействия: пассивный и активный. Исследования посвящены изучению коэффициента гидравлического трения для двух поверхностей: с интенсификаторами теплообмена (гантелеобразными лунками) и без особенностей (гладкая DOI: 10.17673/Vestnik.2016.01.3 Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура | 2016 | № 1 (22) 16 ВОДОСНАБЖЕНИЕ, КАНАЛИЗАЦИЯ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОХРАНЫ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ а б Рис. 1. Геометрия расчетной области: а - размерные параметры; б - дискретизация расчетной области стенка). Кроме того, для анализа течения вблизи гантелеобразных лунок выполнено численное исследование течения воздуха в прямоугольном канале с односторонним расположением лунок. Численное моделирование Для численного моделирования использовались программные комплексы с открытым исходным кодом. Геометрия расчетной области, представляющая узкий прямоугольный канал с односторонним расположением гантелеобразных лунок, создана в Salome [14]. Геометрия исследуемого прямоугольного канала с гантелеобразными лунками представлена на рис. 1, а. В этом же программном комплексе Salome выполнена дискретизация расчетной области (рис. 1, б). Для получения 17 Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура | 2016 | № 1 (22) И.Д. Федотенков, А.А. Цынаева численного решения использовался программный комплекс Code Saturne [15], дискретизация граничных условий осуществлена стандартными инструментами Code Saturne [15, 16]. Для повышения качества решения вблизи стенок прямоугольного канала стандартными средствами Salome выполнено структурирование расчетной сетки, создан пристеночный пограничный слой толщиной 2 мм, разделенный на четыре подслоя. Высота канала составляла 10 мм, глубина лунки - 1,2 мм. Предварительные численные исследования выполнены на сетке из 84000 элементов. Для моделирования используются уравнения Навье-Стокса, замыкаемые с помощью k-omega SST модели турбулентности [17]. При моделировании рабочей средой выбран воздух. При численном исследовании принята изотермическая модель, что допустимо при расчетах гидравлических параметров течения. Условия моделирования: скорость на входе υ=16,5 м/с, плотность и кинематическая вязкость воздуха заданы при нормальных условиях (0 оС, 101325 Па); ρ=1,293 кг/м3, ν=13,28 106м2/с. Распределение скорости потока вблизи поверхности с гантелеобразными лунками, полученное в результате расчета, представлено на рис. 2. Анализ результатов моделирования показал, что при малых скоростях газа на входе в канал (порядка 0,5-1 м/с) вблизи гантелеобразных лунок наблюдается некоторое увеличение (до 20 %) скорости воздуха. При скорости потока на входе в канал 16,5 м/с наличие гантелеобразных лунок ведет к возникновению за лунками зон с пониженной скоростью потока. Эти результаты свидетельствуют о возможности оптимизации поверхностей теплообмена за счет применения гантелеобразных лунок. Экспериментальное исследование В лаборатории кафедры теплогазоснабжения и вентиляции СГАСУ собрана экспериментальная установка (рис. 3) для исследований интенсификации теплообмена. Задачей эксперимента является исследование изменения коэффициента трения на участке с гантелеобразными лунками. Перед началом экспери- Рис. 2. Результаты численного моделирования Рис. 3. Схема экспериментального стенда: 1 - всасывающий патрубок; 2 - вентилятор; 3 - гладкий воздуховод; 4 - ресивер; 5 - пульсатор с электроприводом; 6 - участок воздуховода с гантелеобразными лунками Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура | 2016 | № 1 (22) 18 ВОДОСНАБЖЕНИЕ, КАНАЛИЗАЦИЯ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОХРАНЫ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ а б Рис. 4. Экспериментальный стенд (а) и развертка поверхности с интенсификаторами (лунками в форме гантель (б): 1 - напорный патрубок; 2 - вентилятор; 3 - всасывающий патрубок а б Рис. 5. Термоанемометр (а), микроманометр (б) ТАММ-20 мента была зафиксирована заслонка на пульсаторе в максимально открытом положении и произведены замеры: скорости, температуры, полного, статического и динамического давления при разных расходах воздуха. Замеры производились на входе в гладкий воздуховод, на выходе из него и на выходе из воздуховода с лунками (см. рис. 3). На рис. 4 показан экспериментальный стенд и развертка внутренней поверхности воздуховода. Данные эксперимента получены с помощью термоанемометра и микроманометра ТАММ-20, представленных на рис. 5. В результате обработки экспериментальных данных были определены удельные потери полного давления каждого из участков воздуховода для различных расходов и скоростей воздуха. Результаты измерений занесены в табл. 1. Для вычисления коэффициента трения необходимо определить режим течения потока воздуха, характеристикой которого является критерий Рейнольдса (здесь ν=15,55·10-6 - кинематическая вязкость воздуха, м²/с; d=0,15 - диаметр воздуховода, м; υ - скорость воздуха, м/с). Длина участка с гантелеобразными лунками составляет 10 калибров. Для всех скоростей при проведении исследований критерий Рейнольдса соответствовал турбулентному режиму течения. Например, при расходе 1050 м3/ч Re=161 093. Для турбулентного течения теоретическое значение коэффициента трения определяется по формуле Альтшуля где Кэ - эквивалентная шероховатость, мм (для гладкого 0,1; шероховатого 1 мм). Опытное значение коэффициента трения рассчитывается по формуле 2 υ2 ⋅ρ ⋅ λ = Δ d Pn

About the authors

Ivan Dmitrievich FEDOTENKOV

Samara State University of Architecture and Civil Engineering

Author for correspondence.
Email: vestniksgasu@yandex.ru

Anna Aleksandrovna TSYNAEVA

Samara State University of Architecture and Civil Engineering

Email: vestniksgasu@yandex.ru

References

Supplementary files