Теплообмен и гидродинамика в радиально--вращающейся круглой трубе с наклонно-тангенциальной закруткой потока на входе

В диапазоне изменения параметров Ro = 0…0,0167 и Re = 118000 выполнено численное исследование теплообмена и гидродинамики в радиально-вращающейся круглой трубе с наклонно-тангенциальной закруткой потока на входе и 900 поворотом на выходе....

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2015
Hauptverfasser:	Халатов, А.А., Кобзарь, С.Г., Дашевский, Ю.Я.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут технічної теплофізики НАН України 2015
Schriftenreihe:	Промышленная теплотехника
Schlagworte:	Тепло- и массообменные процессы
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/142185
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Теплообмен и гидродинамика в радиально--вращающейся круглой трубе с наклонно-тангенциальной закруткой потока на входе / А.А. Халатов, С.Г. Кобзарь, Ю.Я. Дашевский // Промышленная теплотехника. — 2015. — Т. 37, № 4. — С. 14-22. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-142185
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1421852025-02-23T19:30:35Z Теплообмен и гидродинамика в радиально--вращающейся круглой трубе с наклонно-тангенциальной закруткой потока на входе The heat transfer and hydrodynamics in rotating radial round tube with inclined-tangential flow swirl at the inlet Халатов, А.А. Кобзарь, С.Г. Дашевский, Ю.Я. Тепло- и массообменные процессы В диапазоне изменения параметров Ro = 0…0,0167 и Re = 118000 выполнено численное исследование теплообмена и гидродинамики в радиально-вращающейся круглой трубе с наклонно-тангенциальной закруткой потока на входе и 900 поворотом на выходе. В межах зміни параметрів Ro = 0…0,0167 та Re = 118000 виконано чисельне дослідження теплообміну та гідродинаміки у круглій трубі, що радіально обертається, з похило-тангенційним завихренням потоку на вході та 900 поворотом на виході. In the range of parameters Ro = 0 ... 0.0167 and Re = 118000 the numerical investigation of heat transfer and hydrodynamics wasperformed in rotating radial round tube with incline-tangential flow swirl at the inlet and flow 900 turn at the exit. 2015 Article Теплообмен и гидродинамика в радиально--вращающейся круглой трубе с наклонно-тангенциальной закруткой потока на входе / А.А. Халатов, С.Г. Кобзарь, Ю.Я. Дашевский // Промышленная теплотехника. — 2015. — Т. 37, № 4. — С. 14-22. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 0204-3602 DOI: https://doi.org/10.31472/ihe.4.2015.02 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/142185 532.516 ru Промышленная теплотехника application/pdf Інститут технічної теплофізики НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Тепло- и массообменные процессы Тепло- и массообменные процессы
spellingShingle	Тепло- и массообменные процессы Тепло- и массообменные процессы Халатов, А.А. Кобзарь, С.Г. Дашевский, Ю.Я. Теплообмен и гидродинамика в радиально--вращающейся круглой трубе с наклонно-тангенциальной закруткой потока на входе Промышленная теплотехника
description	В диапазоне изменения параметров Ro = 0…0,0167 и Re = 118000 выполнено численное исследование теплообмена и гидродинамики в радиально-вращающейся круглой трубе с наклонно-тангенциальной закруткой потока на входе и 900 поворотом на выходе.
format	Article
author	Халатов, А.А. Кобзарь, С.Г. Дашевский, Ю.Я.
author_facet	Халатов, А.А. Кобзарь, С.Г. Дашевский, Ю.Я.
author_sort	Халатов, А.А.
title	Теплообмен и гидродинамика в радиально--вращающейся круглой трубе с наклонно-тангенциальной закруткой потока на входе
title_short	Теплообмен и гидродинамика в радиально--вращающейся круглой трубе с наклонно-тангенциальной закруткой потока на входе
title_full	Теплообмен и гидродинамика в радиально--вращающейся круглой трубе с наклонно-тангенциальной закруткой потока на входе
title_fullStr	Теплообмен и гидродинамика в радиально--вращающейся круглой трубе с наклонно-тангенциальной закруткой потока на входе
title_full_unstemmed	Теплообмен и гидродинамика в радиально--вращающейся круглой трубе с наклонно-тангенциальной закруткой потока на входе
title_sort	теплообмен и гидродинамика в радиально--вращающейся круглой трубе с наклонно-тангенциальной закруткой потока на входе
publisher	Інститут технічної теплофізики НАН України
publishDate	2015
topic_facet	Тепло- и массообменные процессы
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/142185
citation_txt	Теплообмен и гидродинамика в радиально--вращающейся круглой трубе с наклонно-тангенциальной закруткой потока на входе / А.А. Халатов, С.Г. Кобзарь, Ю.Я. Дашевский // Промышленная теплотехника. — 2015. — Т. 37, № 4. — С. 14-22. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.
series	Промышленная теплотехника
work_keys_str_mv	AT halatovaa teploobmenigidrodinamikavradialʹnovraŝaûŝejsâkruglojtrubesnaklonnotangencialʹnojzakrutkojpotokanavhode AT kobzarʹsg teploobmenigidrodinamikavradialʹnovraŝaûŝejsâkruglojtrubesnaklonnotangencialʹnojzakrutkojpotokanavhode AT daševskijûâ teploobmenigidrodinamikavradialʹnovraŝaûŝejsâkruglojtrubesnaklonnotangencialʹnojzakrutkojpotokanavhode AT halatovaa theheattransferandhydrodynamicsinrotatingradialroundtubewithinclinedtangentialflowswirlattheinlet AT kobzarʹsg theheattransferandhydrodynamicsinrotatingradialroundtubewithinclinedtangentialflowswirlattheinlet AT daševskijûâ theheattransferandhydrodynamicsinrotatingradialroundtubewithinclinedtangentialflowswirlattheinlet
first_indexed	2025-11-24T16:07:47Z
last_indexed	2025-11-24T16:07:47Z
_version_	1849688554739859456
fulltext	ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2015, т. 37, №414 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ УДК 532.516 ТЕПЛООБМЕН И ГИДРОДИНАМИКА В РАДИАЛЬНО-ВРАЩАЮЩЕЙСЯ КРУГЛОЙ ТРУБЕ С НАКЛОННО-ТАНГЕНЦИАЛЬНОЙ ЗАКРУТКОЙ ПОТОКА НА ВХОДЕ Халатов А.А.1,3, академик НАН Украины, Кобзарь С.Г.1, канд. тех. наук, Дашевский Ю.Я.2, канд. тех. наук 1Институт технической теплофизики НАН Украины, ул. Желябова, 2а, Киев, 03680, Украина 2ГП НПКГ «Зоря»-«Машпроект», пр. Октябрьский, 42а, Николаев, 54018, Украина 3Национальный технический университет Украины «КПИ», Проспект Победы 37, Киев, 03056, Украина В межах зміни параметрів Ro = 0…0,0167 та Re = 118000 ви- конано чисельне дослідження теплообміну та гідродинаміки у круглій трубі, що радіально обертається, з похило-тангенційним завихренням потоку на вході та 900 поворотом на виході. Отримано, що обертання каналу знижує загаль- ний гідродинамічний опір каналу. Обертання каналу в бік завихрення потоку має незначні переваги по теплообміну та опору в порівнянні з обертанням проти завихрення пото- ку, що повинно в враховуватися при проектуванні системи охолодження. In the range of parameters Ro = 0 ... 0.0167 and Re = 118000 the numerical investigation of heat transfer and hydrodynamics was performed in rotating radial round tube with incline-tangential flow swirl at the inlet and flow 900 turn at the exit. It was found that the rotation of the channel reduces the overall flow resistance of the channel. Rotation of the channel towards the flow swirl has a slight advantage on heat transfer and flow resistance compared with the rotation of the channel against the flow swirl, that should be considered when designing a cooling system. В диапазоне изменения параме- тров Ro = 0…0,0167 и Re = 118000 выполнено численное исследова- ние теплообмена и гидродинамики в радиально-вращающейся круглой трубе с наклонно-тангенциальной закруткой потока на входе и 900 по- воротом на выходе. Получено, что вращение канала снижает общее гидравлическое сопротивление ка- нала. Вращение канала оказывает незначительное влияние на тепло- отдачу и распределение локального коэффициента теплоотдачи. Вра- щение канала в сторону закрутки потока имеет незначительные пре- имущества по теплообмену и сопро- тивлению по сравнению с вращени- ем канала против закрутки потока, что должно учитываться при проек- тировании системы охлаждения. Библ. 6, табл. 5, рис. 9. Ключевые слова: : гидродинамика, закрученный поток, теплоотдача, наклонно-тангенциальная за- крутка, модели турбулентности. d – диаметр цилиндрического канала, м; w d Ro 2 2 cpw d x Pf     – коэффициент гидравлического сопротивления; n – скорость вращения, об./мин; P – статическое давление, Па; P* – полное давление, Па; Т – температура, оС; u, v, w – компоненты скорости потока по осям х, y, z, м/с; x, y, z – оси декартовой системы координат; α – коэффициент теплоотдачи, Вт/м2К; φ – угол закрутки потока, градус; Ω – угловая скорость вращения, радиан/с; ν – кинематический коэффициент вязкости, м2/с; ρ – плотность, кг/м3; Nu – число Нуссельта; Re – число Рейнольдса; w d Ro 2 2 cpw d x Pf     – параметр вращения. Введение Закрученные течения широко применяют- ся в различных технических устройствах для интенсификации теплообмена и совершенство- вания различных теплофизических процессов. Подавляющее большинство опубликованных ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2015, т. 37, №4 15 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ исследований выполнены для условий класси- ческой тангенциальной закрутки потока, когда поток на входе в трубу подается под углом 900 к ее продольной оси [1]. В последние годы в связи с разработкой и исследованием внутреннего циклонного охлаждения лопаток газовых турбин самостоятельный интерес получила наклонно- тангенциальная закрутка, когда поток подает- ся тангенциально и под некоторым углом менее 90о к оси канала в направлении движения потока. Большой цикл экспериментальных исследований теплообмена и гидродинамики в этом направлении представлен в работе [2]. Однако эти результаты относятся только к стаци- онарным условиям. В работе [3] с использованием пакета прикладных программ ANSYS CFX выполнено компьютерное моделирование гидродинамики и теплообмена в круглой трубе с наклонно- тангенциальной закруткой потока на входе и 900 поворотом потока на выходе, что соответству- ет условиям системы внутреннего циклонного охлаждения рабочей лопатки газовой турбины. Выполнена верификация двух групп моделей турбулентности, определены основные параметры расчетной сетки, позволяющие получить приемлемую точность расче- та. При использовании закрученного по- тока применительно к системе охлаждения рабочих лопаток газовых турбин большой интерес представляет влияние частоты и на- правления вращения канала на гидродинамику и теплообмен по длине охлаждающего канала. Экспериментальные работы по данному вопросу в связи со сложностью исследования отсутству- ют, пока единственной работой, в которой изуче- но влияние вращения на теплообмен в круглом канале с тангенциальной (900) закруткой пото- ка, остается работа [4]. В связи с этим, для ис- следования влияния вращения на гидродинамику и теплообмен закрученного потока в канале предпочтительно использовать методы компью- терного (CFD) моделирования с привлечением коммерческих пакетов прикладных программ. Цель и задачи исследования. При геометри- ческих и граничных условиях, характерных для современных рабочих лопаток газовых турбин, с использованием коммерческого программно- го комплекса ANSYS CFX выполнить исследова- ние гидродинамики и теплообмена в радиально- вращающейся круглой трубе с наклонно-тан- генциальной закруткой потока на входе и 900 поворотом на выходе для абсолютных значений граничных условий наиболее характерных для современных газотурбинных установок. Объект исследования и компьютер- ная модель. В качестве объекта исследований использован круглый канал, который исследовался экспериментально в работах [2,3]. Для соот- ветствия реальным размерам современных ло- паток, все размеры канала уменьшены в 5 раз. Объект исследования и его компьютерная модель, построенная в среде ANSYS Design Manager, представлены на рис. 1. Для выполнения расчетов при вращении канала объект исследования располагался на радиусе вращения r = 405 мм. Число оборотов задавалось равным 5000, 9500 и 12000 об/мин, которое характерно для современных турбо- машин. Исследовалось как правостороннее, так и левостороннее вращение канала. При этом правостороннее вращение направлению в ту же сторону, что и закрутка потока в канале (стрелка на рис. 1, б). При компьютерном моделировании правосторонее вращение канала задавалось положительным значением числа оборотов, а левостороннее – отрицательным. Расчетная сетка построена исходя из параметров, которые показали наилучшие результаты при проведении верификацион- ных расчетовна модельной задаче и отраже- ны в рекомендациях по построению сетки в работе [3]. Параметры расчетной сетки приведены в таблице 1. В качестве модели турбулентности было принята LRR модель на- пряжений Рейнольдса, которая показала наилуч- шие результаты по большинству параметров при проведении верификации [3]. Физическая модель была принята аналогичной работе [3]. Граничные условия зада- вались исходя из реальных параметров современ- ных рабочих лопаток. Расход воздуха состав- лял G = 13 г/с; температура воздуха на входе в объект исследования Tin – 500 oC; темпе- ратура стенки завихрителя Twz – 720 oC; ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2015, т. 37, №416 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ Рис. 1. Геометрическая модель объекта исследования (а) [1] и его компьютерная модель (б): 1 – распределительный канал; 2 – тангенциальный завихритель; 3 – основной цилиндрический канал. Основные размеры: a = 1 мм; b = 11,8 мм; c = 6 мм; d = 4 мм; e = 4 мм; f = 6,25 мм; k = 8 мм; l = 46,5 мм; m = 3 мм; n = 8 мм. а ) б ) Сгущение Максимальная толщина слоя, м 1,0е-4 Количество слоев, шт. 15 Фактор роста 1,2 Максимальный размер ячейки на поверхностях, м 4е-4 Максимальный размер ячейки, м 4е-4 Количество элементов, шт 808325 Количество узлов, шт 1694651 Таблица 1. Параметры расчетной сетки На выходе из расчетной области задавалось осредненное статическое давление равное 750000 Па. При данных граничных условиях среднее по длине канала значение числа Рей- нольдса составляло 118000. Значение полного давления на входе в модель определялось в про- цессе расчета. Гидродинамика закрученного потока Изменение поверхностного угла закрутки по- тока по длине канала в зависимости от скорости и направления вращения показано на рис. 2 и 3. Координата x отсчитывается от «среза» танген- циальной щели завихрителя. Во всех случаях продольное распределение угла закрутки имеет «острый» максимум, который расположен в обла- сти x/d ≈ 0,5. Это связано с тем, что в промежутке 0,5 < x/d < 1,0 формируется перестройка потока от условий подачи потока в канал до закономер- ностей течения закрученного потока в круглом канале. Далее по длине канала закрутка потока снижается более монотонно. Влияние вращения канала на закрутку потока проявляется двояко. В начале канала существует зона, где с увеличе- нием скорости вращения происходит снижение поверхностного угла закрутки потока. В конце канала увеличение скорости вращения даже уве- личивает закрутку потока. Для правостороннего вращения измене- температура стенки цилиндрического канала Twz – 720 oC. ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2015, т. 37, №4 17 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ ния характера влияния скорости вращения на закрутку потока соответствует сечению x/d ≈ 6,8, а для левостороннего вращения – x/d ≈ 4,5. Следует отметить, что левостороннее вращение канала более заметно влияет на за- крутку потока в канале, чем правостороннее. В частности, при левостороннем вращении канала на начальном участке наблюдается значительное снижение максимального значения поверхност- ного угла закрутки с увеличением скорости вра- щения. Подтверждением того, что в промежутке 0,5 <x/d< 1,0 происходит быстрая перестрой- ка структуры потока после выхода из канала завихрителя служат результаты, полученные для продольного распределения коэффициента 0 2 4 6 8 10 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 tg  x/d n= 0 n= 5000 n= 9500 n= 12000 0 2 4 6 8 10 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 tg  x/d n= 0 n= -5000 n= -9500 n= -12000 Рис. 2. Изменение поверхностного угла за- крутки потока по длине канала при правосто- роннем вращении. Рис. 3. Изменение поверхностного угла за- крутки потока по длине канала при левосто- роннем вращении. Распределения полного и статического дав- лений по длине канала при правостороннем вра- щении канала показаны на рис. 6 и 7. Изменение полного давления в характерных точках иссле- дованной геометрии (рис. 1, б) представлены в таблице 2. Вращение снижает затраты полного давления на прокачку потока в модели. Изменение полно- го и статического давления по длине канала при левостороннем вращении имеет похожий харак- тер. Результаты определения полного давления в характерных точках исследованной геометрии, показали, что в стационарных условиях для обе- спечения прокачки расхода G = 13 г/с воздуха, на входе в исследуемую геометрию требуется вели- чина полного давления равная 1375590 Па. При вращении потребное для прокачки этого расхода значение полного давления на входе в объект ис- следования уменьшается. При этом правосторон- нее вращение модели обеспечивает большее сни- гидравлического сопротивления канала, которые представлены на рис. 4 и 5. В сечении x/d ≈ 1,0 линия поведения коэффициента сопротивления имеет незначительный перегиб. Если до этой точки коэффициент сопротивления имеет резкое изменение, то после сечения x/d ≈ 1,0 ха- рактер его изменения становится более плавным. Влияние скорости вращения на коэффициент сопротивления начинает сказываться, начиная с сечения x/d ≈ 0,5, и приводит к его уменьшению. При частоте вращения 12000 об/мин в конце канала в сечении х/d ≈ 9,75 наблюдается незначи- тельное отрицательное значение коэффициента трения. Это, скорее всего, связано с геометри- ческими особенностями объекта исследования, а именно наличием поворота на 90о на выходе из канала. Небольшое увеличение полного давления в конце канала при больших скоростях вращения, скорее всего, связано с действием центробеж- ных сил на поток, что требует дополнительного изучения. В целом, вращение канала способству- ет уменьшению гидравлических потерь в канале, что может быть объяснено «насос- ным» эффектом, который возникает в радиально-вращающихся каналах. Заметное снижение потерь наблюдается при частоте оборотов n > 9500 об/мин. ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2015, т. 37, №418 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ Рис. 4. Продольное изменение коэффициента гидравлического сопротивления канала при правостороннем вращении. Рис. 5. Продольное изменение коэффициента гидравлического сопротивления канала при левостороннем вращении. 0 2 4 6 8 10 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 f x/d n= 0 n= 5000 n= 9500 n= 12000 0 2 4 6 8 10 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 f x/d n= 0 n= -5000 n= -9500 n= -12000 0 2 4 6 8 10 950000 1000000 1050000 1100000 1150000 1200000 P* , П а x/d n= 0 n= 5000 n= 9500 n= 12000 0 2 4 6 8 10 740000 760000 780000 800000 820000 840000 860000 880000 900000 920000 940000 960000 980000 P, П а x/d n= 0 n= 5000 n= 9500 n= 12000 Рис. 6. Продольное изменение полного давления в канале при правостороннем вращении. Рис. 7. Продольное изменение статического давления на стенке канала при правостороннем вращении. n, об/мин 0 5000 9500 12000 -5000 -9500 -12000 Pinlet, Па 1375590 1362330 1295270 1247060 1347080 1281120 1246500 Pin1, Па 1326900 1321430 1273300 1238570 1304760 1256320 1234750 Pin2, Па 1307300 1301320 1252300 1216350 1284790 1234760 1212510 Px/d= 0, Па 1191350 1184200 1135990 1098440 1164790 1115940 1087180 Px/d = 11,5, Па 964680 969427 967534 965119 964412 961899 966516 Pout,Па 913287 916899 919661 919230 914159 915830 920766 Poutlet,Па 838990 841998 844129 844897 841742 843127 841726 Таблица 2. Значения полного давления в характерных точках канала при его вращении ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2015, т. 37, №4 19 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ жение давления, по сравнению с левосторонним вращением, что связано с благоприятным влия- нием Кориолисовой силы на поток при выходе из завихрителя. Влияние вращения канала на структуру закрученного потока при характерных для рабо- чих лопаток параметрах изучено мало. В откры- той печати не удалось обнаружить эксперимен- тальных и теоретических результатов, которые имели бы непосредственное отношение к рассма- триваемой задаче. В работах [5,6] приведена ме- тодика определения перепада полного давления в радиально-вращающемся канале для более простого случая, когда вынужденное течение отсутствует. Согласно приведенной методики, перепад давления в канале может быть рассчитан по формуле:   ,1 2 exp 2 1 2 2 2 112          RT rrpppp  (1) где R – газовая постоянная охлаждающего возду- ха. По формуле (1) была выполнена оценка пе- репада полного давления в цилиндрическом ка- нале. Начало канала находится на радиусе r1 = 0,4178 м, а его выход – на радиусе r2 = 0,4638 м. Температура охлаждающего воздуха на входе в канал – 773 К. Результаты сравнения перепада давления, обусловленного вращением исследуе- мого канала и перепада давления в таком же ка- нале, рассчитанного по формуле (1) приведены в таблице 3. Результаты, приведенные в таблице, пока- зывают, что при вращении закрученного потока Таблица 3. Перепад полного давления в канале в зависимости от числа оборотов n, об/мин 0 5000 9500 12000 ω, радиан/с 0 523 988 1248 Р1, Па 1191350 1184200 1135990 1098440 Р2, Па 964680 969427 967534 965119 Р1 – Р2, Па 226670 214773 168456 133321 ΔР, Па 0 11897 58214 93349 ΔР, Па, формула (1) 0 40840 111882 140811 Характер изменения полного давления в контрольных сечениях (табл. 2) показывает, что основной источник потерь полного давления на- ходится в завихрителе, в котором имеют место потери на внезапное сужение, внезапное расши- рение и поворот потока. Значения рассчитанных местных потерь в завихрителе и в повороте, в за- висимости от частоты вращения, представлены в таблице 4. Коэффициент гидравлического сопротивле- ния завихрителя определялся соотношением: 2 2 щ щ z w P      , (2) где ΔР – разность полных давлений перед завих- рителем и в сечении трубы за завихрителем на расстоянии x/d = 0, где координата x отсчитыва- ется от «среза» тангенциальной щели завихрите- ля; wщ, ρщ – среднемассовая скорость и плотность воздуха в щели завихрителя. Коэффициент гидравлического сопротивле- ния выходного поворота определялся по соотно- шению: , (3) где ΔР* turn – разность полных давлений перед 2 2 cp ср turn turn w P      в цилиндрическом канале перепад полного дав- ления ниже, чем при отсутствии вынужденного движения. Данный факт, прежде всего, связан с потерями полного давления за счет гидравличе- ских потерь при движении закрученного потока в канале. ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2015, т. 37, №420 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ n, об/мин 0 5000 9500 12000 -5000 -9500 -12000 ζ* z 2,614 2,514 2,192 2,0 2,49 2,296 0,201 ζ* turn 0,752 0,7407 0,704 0,671 0,732 0,762 0,672 Таблица 4. Потери полного давления в наклонно-тангенциальном завихрителе и в повороте Теплообмен закрученного потока Результаты расчета теплоотдачи во враща- ющемся канале представлены на рис. 8 и 9. Как следует, распределение числа Нуссельта имеет максимум в районе x/d ≈ 0,5, что соответствует сечению, где наблюдается максимум поверх- ностного угла закрутки потока (рис. 2, 3). После максимума происходит постепенное уменьшение числа Нуссельта вплоть до конца трубы. В целом вращение оказывает слабое влияние на теплоот- дачу. При правостороннем вращении увеличение числа оборотов приводит к незначительному увеличению теплоотдачи по всей длине канала. Благоприятное воздействие на поток силы Кори- олиса приводит к некоторому росту теплоотдачи при увеличении скорости вращения, что следует из данных таблицы 5. Однако эта интенсифика- ция происходит только на участке канала 0 < x/d < 1,0 и не превосходит 3,6 %. Средняя по длине канала интенсификация теплоотдачи (Ro = 0,0167) составляет 1,8 % (табл. 5). При левостороннем вращении сила Кориолиса оказывает отрицательное воздействие на поток – она снижает теплоотдачу в канале. С увеличением числа оборотов снижение тепло- отдачи более существенно проявляется в нача- ле канала (до x/d < 1,0), где средняя теплоотда- ча снижается на 2,4 % (Ro = 0,0167). При этом уменьшение среднего числа Нуссельта по всей длине канала составляет всего 1,5 % (табл. 5). Полученные результаты по влиянию враще- ния канала на теплоотдачу качественно согласу- ются с данными работы [4], в которой выполнено исследование теплообмена в радиально-враща- ющемся канале с закрученным внутренним те- чением. Исследования были выполнены при Red = 20000 и Ro = 0…0,023. Было показано, что правостороннее вращение канала способству- ет увеличению среднего по длине канала числа Нуссельта приблизительно на 9 % по сравнению со стационарным случаем, что объясняется поло- жительным влиянием силы Кориолиса. При ле- востороннем вращении наблюдалось снижение теплоотдачи. В наших исследованиях при значении пара- метра вращения Ro = 0,0167, увеличение сред- ней теплоотдачи составляет всего 1,8 %. Данный результат может быть объяснен условиями за- крутки потока в канале и различием в их геоме- трии [4]. В работе [4] подвод охлаждающего воз- духа осуществлялся через систему дискретных n, об/мин 0 5000 9500 12000 -5000 -9500 -12000 Ro 0 0,007 0,013 0,0167 0,007 0,013 0,0167 Число Nu , x/d = 0…1,0 529,83 537,54 548,34 549,0 519,0 517,28 517,0 Число Nu , x/d = 1,0..11,0 434,43 441,08 441,1 441,45 430,8 429,37 428,344 Число Nu , x/d = 0…11,0 442,68 449,42 450,12 450,67 438,42 436,99 436,04 Таблица 5. Среднее число Нуссельта в канале поворотом и после него; wcp, ρср – среднемассовая скорость потока в канале и плотность в цилин- дрическом канале на входе в поворот. Результаты расчетов показали, что вращение уменьшает потери в завихрителе и в повороте. Правостороннее вращение имеет несколько боль- ший эффект снижения, по сравнению с левосто- ронним вращением. ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2015, т. 37, №4 21 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ 0 2 4 6 8 10 380 400 420 440 460 480 500 520 540 560 N u x/d n= 0 n= 5000 n= 9500 n= 12000 0 2 4 6 8 10 380 400 420 440 460 480 500 520 540 560 N u x/d n= 0 n= -5000 n= -9500 n= -12000 Рис. 9. Продольное изменение локального числа Нуссельта в канале при левостороннем вращении канала. Рис. 8. Продольное изменение локального числа Нуссельта в канале при правостороннем вращении канала. Выводы В области Ro = 0…0,0167 и Re = 118000 вы- полнено численное исследование теплообмена и гидродинамики в радиально-вращающейся кру- глой трубе с наклонно-тангенциальной закрут- кой потока на входе и 900 поворотом на выходе. Полученные результаты позволяют сделать сле- тангенциальных завихрителей (900), равномер- но расположенных по длине круглого канала, таким образом, поток охладителя в цилиндриче- ский канал подавался множественными струями. Значение числа Рейнольдса в нашем исследова- нии было в шесть раз выше, чем в работе [4], что определяет более значительное воздействие цен- тробежной силы. дующие выводы: 1. Вращение канала снижает общее гидравлическое сопротивление канала. 2. С увеличением частоты вращения местные гидравлические потери в области завих- рителя и в выходном повороте снижаются. 3. Вращение канала оказывает незначитель- ное влияние на теплоотдачу и распределение локального коэффициента теплоотдачи. 4. Вращение канала в сторону закрутки потока (правостороннее вращение) имеет незначительные преимущества по теплообме- ну и сопротивлению по сравнению с вращением канала против закрутки потока (левостороннее вращение), что должно учитываться при проек- тировании системы охлаждения. 5. Учитывая полученные результаты, дальнейшее исследование должно быть, направ- лено на изучение влияния Кориолисовой силы на теплообмен и сопротивление в канале для рассматриваемого типа закрутки потока. ЛИТЕРАТУРА 1. Теплообмен и гидродинамика в полях цен- тробежных массовых сил. Т.5. «Тепломассобмен и теплогидравлическая эффективность вихревых и закрученных потоков» / Халатов А.А., Борисов И.И., Шевцов С.В./ Киев: Изд. Ин-та технической теплофизики НАНУ. – 2005. – 500с. 2. Теплообмен и гидродинамика в полях цен- тробежных массовых сил. Т.9. «Теплообмен и гидродинамика при циклонном охлаждении ло- паток газовых турбин» / Халатов А.А., Романов В.В., Борисов И.И., Дашевский Ю.Я., Северин С.Д. / Киев: Изд. Ин-та технической теплофизики НАНУ. – 2010.– 317с. 3. Халатов А.А., Кобзарь С.Г., Дашевский Ю.Я. Численное моделирование теплообмена и гидродинамики в круглой трубе с наклонно-тан- генциальной закруткой потока на входе // Про- мышленная теплотехника. – 2015.– Т.37, №1. – С.12–21. 4. Glezer B., Moon H.-K., Kerrebrock J., Bons J., Guenette G. Heat transfer in rotating radial channel with swirling internal flow // ASME Paper 98-GT-214. 5. Копелев С.З., Гуров С.В. Тепловое состоя- ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2015, т. 37, №422 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ ние элементов конструкции авиационных двига- телей. М.: Машиностроение. – 1978. – 208с. 6. Теплопередача в охлаждаемых деталях га- THE HEAT TRANSFER AND HYDRODYNAMICS IN ROTATING RADIAL ROUND TUBE WITH INCLINED- TANGENTIAL FLOW SWIRL AT THE INLET Khalatov A.1,3, Kobzar S.1, Dashevskyy Yu.2 1Institute of Engineering Thermophysics, National Academy of Sciences of Ukraine, 2a Zhelyabova str., Kiev, 03680, Ukraine 2GP NPKG «Zorya»-Mashproekt», 42 a, Pr. Oktyabrskiy, Nikolev, 54018, Ukraine 3The National Technical University «КРI», 37 Pobedi Avenue, Kiev, 03056, Ukraine In the range of parameters Ro = 0 ... 0.0167 and Re = 118000 the numerical investigation of heat transfer and hydrodynamics was performed in rotating radial round tube with incline-tangential flow swirl at the inlet and flow 900 turn at the exit. It was found that the rotation of the channel reduces the overall flow resistance of the channel. Rotation of the channel towards the flow swirl has a slight advantage on heat transfer and flow resistance compared with the rotation of the channel against the flow swirl, that should be considered when designing a cooling system. Ref. 6, tab. 5, fig. 9. Key words: hydrodynamics, swirling flow, heat transfer, inclined-tangential flow swirl, rotation, turbulence models. 1. Heat transfer and fluid flow in centrifugal fields. V.5. «Heat and mass transfer? Thermal- hydraulic performance of vortex and swirling flows / Khalatov A.A., Borisov I.I., Shevtsov/ Institute for Engineering Thermophysics. National Academy of Sciences of Ukraine. – Kyiv. – 2005. – 500p. (Rus.) 2. Heat transfer and fluid flow in centrifugal fields. V.9. «Heat transfer and hydrodynamics at cyclone cooling of gas turbine blades» / Khalatov A.A., Romanov V.V., Borisov I.I., Dashevskyy Y.Y., Severin S.D./ Institute for Engineering Thermophysics. National Academy of Sciences of Ukraine. – Kyiv. – 2010. – 317p. (Rus.) 3. Khalatov A.A., Kobzar S.G., Dashevskyy Y.Y. Numerical simulation of heat transfer and hydrodynamics in round tube with inclined- tangential flow swirl at the inlet // Promushlennaya teplotekhnyka. – 2015.– v.37, №1. – pp.12-21. (Rus.) 4. Glezer B., Moon H.-K., Kerrebrock J., Bons J., Guenette G. Heat transfer in rotating radial channel with swirling internal flow // ASME Paper 98-GT-214. 5. Kopelev S.Z., Gurov S.V. The thermal state of the structural elements of aircraft engines/ Moscow.– Mashinostroenie. – 1978. – 208p. (Rus.) 6. Heat transfer in gas turbine engines cooled details / Lokai V.I, Bodunov M.N., Zhuikov V.V., Schukin A.V./ Moscow.– Mashinostroenie. – 1993. – 288p. (Rus.) Получено 24.03.2015 Received 24.03.2015 зотурбинных двигателей / В.И. Локай, М.Н. Бо- дунов, В.В. Жуйков, А.В. Щукин. 2-е изд., пере- раб. и доп. – М.: Машиностроение, - 1993. – 288с.

Теплообмен и гидродинамика в радиально--вращающейся круглой трубе с наклонно-тангенциальной закруткой потока на входе

Institution

Ähnliche Einträge