Аналогия переноса теплоты и количества движения в каналах с поверхностными генераторами вихрей
The survey of the experimental data on the Reynolds analogy factor in channels with surface spherical indentations (dimples) is given. Four different groups of dimpled rectangular channels under turbulent flow conditions are analyzed. As shown, only channel with one or two dimpled walls with no cros...
Збережено в:
| Дата: | 2007 |
|---|---|
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2007
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/1824 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Аналогия переноса теплоты и количества движения в каналах с поверхностными генераторами вихрей / А.А. Халатов, В.Н. Онищенко, И.И. Борисов // Доп. НАН України. — 2007. — N 6. — С. 70–75. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1824 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-18242025-02-09T22:05:41Z Аналогия переноса теплоты и количества движения в каналах с поверхностными генераторами вихрей Халатов, А.А. Онищенко, В.Н. Борисов, И.И. Теплофізика The survey of the experimental data on the Reynolds analogy factor in channels with surface spherical indentations (dimples) is given. Four different groups of dimpled rectangular channels under turbulent flow conditions are analyzed. As shown, only channel with one or two dimpled walls with no cross-section blockage provides the Reynolds analogy factor to be more than the unity. 2007 Article Аналогия переноса теплоты и количества движения в каналах с поверхностными генераторами вихрей / А.А. Халатов, В.Н. Онищенко, И.И. Борисов // Доп. НАН України. — 2007. — N 6. — С. 70–75. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. 1025-6415 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/1824 532.516:536.24.01 ru application/pdf Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Теплофізика Теплофізика |
| spellingShingle |
Теплофізика Теплофізика Халатов, А.А. Онищенко, В.Н. Борисов, И.И. Аналогия переноса теплоты и количества движения в каналах с поверхностными генераторами вихрей |
| description |
The survey of the experimental data on the Reynolds analogy factor in channels with surface spherical indentations (dimples) is given. Four different groups of dimpled rectangular channels under turbulent flow conditions are analyzed. As shown, only channel with one or two dimpled walls with no cross-section blockage provides the Reynolds analogy factor to be more than the unity. |
| format |
Article |
| author |
Халатов, А.А. Онищенко, В.Н. Борисов, И.И. |
| author_facet |
Халатов, А.А. Онищенко, В.Н. Борисов, И.И. |
| author_sort |
Халатов, А.А. |
| title |
Аналогия переноса теплоты и количества движения в каналах с поверхностными генераторами вихрей |
| title_short |
Аналогия переноса теплоты и количества движения в каналах с поверхностными генераторами вихрей |
| title_full |
Аналогия переноса теплоты и количества движения в каналах с поверхностными генераторами вихрей |
| title_fullStr |
Аналогия переноса теплоты и количества движения в каналах с поверхностными генераторами вихрей |
| title_full_unstemmed |
Аналогия переноса теплоты и количества движения в каналах с поверхностными генераторами вихрей |
| title_sort |
аналогия переноса теплоты и количества движения в каналах с поверхностными генераторами вихрей |
| publisher |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| publishDate |
2007 |
| topic_facet |
Теплофізика |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/1824 |
| citation_txt |
Аналогия переноса теплоты и количества движения в каналах с поверхностными генераторами вихрей / А.А. Халатов, В.Н. Онищенко, И.И. Борисов // Доп. НАН України. — 2007. — N 6. — С. 70–75. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT halatovaa analogiâperenosateplotyikoličestvadviženiâvkanalahspoverhnostnymigeneratoramivihrei AT oniŝenkovn analogiâperenosateplotyikoličestvadviženiâvkanalahspoverhnostnymigeneratoramivihrei AT borisovii analogiâperenosateplotyikoličestvadviženiâvkanalahspoverhnostnymigeneratoramivihrei |
| first_indexed |
2025-12-01T07:37:17Z |
| last_indexed |
2025-12-01T07:37:17Z |
| _version_ |
1850290618056572928 |
| fulltext |
оповiдi
НАЦIОНАЛЬНОЇ
АКАДЕМIЇ НАУК
УКРАЇНИ
6 • 2007
ТЕПЛОФIЗИКА
УДК 532.516:536.24.01
© 2007
Член-корреспондент НАН Украины А.А. Халатов, В. Н. Онищенко,
И.И. Борисов
Аналогия переноса теплоты и количества движения
в каналах с поверхностными генераторами вихрей
The survey of the experimental data on the Reynolds analogy factor in channels with surface
spherical indentations (dimples) is given. Four different groups of dimpled rectangular channels
under turbulent flow conditions are analyzed. As shown, only channel with one or two dimpled
walls with no cross-section blockage provides the Reynolds analogy factor to be more than the
unity.
Интенсификация теплообмена в каналах является одним из основных методов повыше-
ния эффективности теплообменного и теплотехнического оборудования. В настоящее время
известны и используются в технике более двадцати пяти методов интенсификации теплооб-
мена, среди которых наиболее распространенными являются переменный градиент давле-
ния, шероховатость поверхности, закрутка потока, внешняя турбулентность и масштабные
колебания потока. Особый класс представляют поверхностные интенсификаторы теплооб-
мена в форме ребер, выступов и углублений, формирующие вихревые структуры различ-
ного типа.
В ряде выполненных в последнее время исследований показано, что поверхностные
углубления генерируют специфические пульсирующие вихри, близкие по своей физической
структуре к природному вихрю торнадо [1, 2]. Выходя из углубления, такой вихрь разру-
шает пограничный слой между соседними углублениями и переориентирует мелкие турбу-
лентные вихри в направлении основного вихря, прерывая каскадный механизм диссипации
турбулентности. Формируемые вихревые структуры “абсорбируются” основным потоком
практически без потерь давления, что создает условия для опережающего роста теплооб-
мена по сравнению с сопутствующим увеличением гидравлических потерь. Тот факт, что
фактор аналогии Рейнольдса (Nu/Nu
0
)/(f/f0) в системах с поверхностными углублениями
становится больше единицы, создает благоприятные условия для создания на их основе но-
вых вихревых технологий. (Здесь: Nu, f — число Нуссельта и коэффициент сопротивления
для поверхности с углублениями; Nu0, f0 — то же для поверхности без углублений.)
В настоящей работе выполнено обобщение представленных в литературе опытных дан-
ных по фактору аналогии Рейнольдса в прямоугольном канале с углублениями сферической
70 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2007, №6
Рис. 1. Схемы исследованных каналов.
1 — по [13]; 2 . . . 5 — по [12, 14]; 6 — по [12, 15]; 7, 8 — по [13]; 9 — по [3–10]; 10, 11 — по [6]; 12 — по [1, 3, 8, 9]
формы на одной или обеих поверхностях при различных условиях. Обобщение выполнено
для условий турбулентного режима в широком диапазоне изменения геометрических и ре-
жимных факторов.
Результаты, представленные в литературе (рис. 1), охватывают четыре группы кана-
лов прямоугольного поперечного сечения: с углублениями на одной стороне канала (схема
№ 9), с углублениями на обеих сторонах (схема № 12), с выступами и углублениями на
обеих сторонах (схемы № 10, 11), при “плотном” контакте выступов с противоположной
стенкой канала (схемы № 2 . . . 6). Для сравнения рассмотрены также прямоугольные ка-
налы со сферическими выступами при плотном контакте (схема № 1) и некотором зазоре
с противоположной стенкой (схемы № 7, 8).
Углубления на одной стороне канала [3–10]. Эксперименты охватывают следую-
щий диапазон изменения определяющих параметров: H/D=0,10 . . . 3,33; h/D=0,13 . . . 0,50;
γ=13 . . . 86,5%; Re2H=5000 . . . 137800. (Здесь: H — высота канала; h, D — глубина и диаметр
углубления; γ — плотность (относительная площадь) углублений на поверхности, Re2H —
число Рейнольдса, построенное по эквивалентному диаметру прямоугольного канала.)
Экспериментальные данные по фактору аналогии Рейнольдса приведены на рис. 2, а.
Массив опытных точек представляет собой площадь, ограниченную сверху данными для
малых, а снизу — для больших чисел Рейнольдса, так как с уменьшением числа Рей-
нольдса фактор аналогии Рейнольдса (Nu/Nu
0
)/(f/f0) увеличивается. Опытные данные
для больших чисел Рейнольдса асимптотически приближаются к линии, описывающей
эксперименты для оребренных поверхностей при больших числах Рейнольдса [11]. Макси-
мальное значение фактора аналогии Рейнольдса, равное 1,60, достигается при f/f0 ≈ 1,70
(Nu/Nu0 = 2,72). Как следует из рис. 2, а, фактор аналогии Рейнольдса для каналов с углуб-
лениями на одной стороне прямоугольного канала больше единицы в диапазоне изменения
отношения f/f0 от 1,52 до 2,25. В этой области имеет место опережающий рост теплообме-
на по сравнению с ростом потерь давления.
Углубления на обеих сторонах канала [1, 3, 8, 9]. Опытные данные, представленные
на рис. 2, б, также охватывают следующий диапазон изменения определяющих параметров:
H/D = 0,175 . . . 2,0; h/D = 0,10 . . . 0,50; γ = 40 . . . 67%; Re2H = 4000 . . . 66000.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2007, №6 71
Рис. 2. Фактор аналогии Рейнольдса в канале прямоугольного сечения со сферическими углублениями на
одной стороне: см. рис. 1, схема № 9 (а) и схема № 12 (б ).
1 — Предельная кривая, оребренная поверхность при больших числах Рейнольдса [13]
Как и в предыдущем случае, массив опытных данных располагается выше линии для
оребренных поверхностей и представляет собой площадь, ограниченную сверху малыми,
а снизу большими числами Рейнольдса. В данном случае максимальное значение фактора
аналогии Рейнольдса, равное 1,7, достигается при f/f0 ≈ 1,3 (Nu/Nu0 = 2,21), а опере-
жающий рост теплообмена (Nu/Nu0 > 1,0) имеет место в области значений f/f0 от 1,5
до 2,5.
Каналы с выступами и углублениями на обеих сторонах канала представляют собой
комбинацию сферических углублений и выступов (см. рис. 1), расположенных на проти-
воположных стенках канала в симметричном (схема № 10) или нессимметричном порядке
(схема № 11) при отсутствии контакта с противоположной поверхностью [6]. Опытные дан-
ные получены при H/D1 = 0,50, h/D1 = 0,20, a/D1 = 0,81.
Как следует из рис. 3, для схем № 10 и № 11 фактор аналогии Рейнольдса меньше
единицы во всем рассмотренном диапазоне и изменяется от 0,55 до 0,75. Такие низкие
значения обусловлены тем, что сферические выступы порождают в канале диссипативные
вихревые структуры, для которых фактор аналогии Рейнольдса меньше единицы (рис. 3;
схемы № 1, № 7 и № 8), а сферические углубления — вихревые структуры типа торнадо,
для которых фактор аналогии Рейнольдса больше единицы (схема № 9), что формирует
некоторую промежуточную структуру.
Каналы при “плотном” контакте выступов с противоположной стенкой. В таких ка-
налах (см. рис. 1, схемы № 2 . . . 6) выступы плотно контактируют с противоположной стен-
кой канала, что создает загромождение поперечного сечения [12, 14, 15]. Это приводит
к разрушению (полному или частичному) упорядоченных вихревых структур типа торна-
до, генерируемых углублениями. С увеличением плотности углублений и выступов фактор
аналогии Рейнольдса увеличивается от 0,1 (схема № 2) до 0,4 (схема № 4) (см. рис. 3), для
схем № 5 и № 6 фактор аналогии изменяется от 0,35 до 0,45. Таким образом, загроможде-
ние поперечного сечения канала и связанное с этим разрушение вихревых структур типа
торнадо приводит к существенному уменьшению фактора аналогии Рейнольдса, хотя ин-
72 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2007, №6
Рис. 3. Фактор аналогии Рейнольдса в канале прямоугольного сечения, сферические выступы и углубления,
плотное расположение выступов (см. рис. 1):
1 — схема № 1 [13]; 2. . . 5 — схемы № 2–5 [12, 14]; 6 — схема № 6 [12, 15]; 7 — схема № 7 [13]; 8 — схема
№ 8 [13]; 9 — схема № 9 [6]; 10 — схема № 10 [6]; 11 — схема № 11 [6]; 12 — предельная кривая, оребренная
поверхность при больших числах Рейнольдса [11]
Рис. 4. Обобщение опытных данных по фактору аналогии Рейнольдса в прямоугольном канале с углубле-
ниями и выступами:
1 — сферические углубления на обеих сторонах канала (см. рис. 2, б ); 2 — сферические углубления на одной
стороне (см. рис. 2, а); 3 — внутренние канавки [1]; 4 — сферические выступы на плоской поверхности [1];
5 — 60◦ сплошные и разрезные ребра [1]; 6 — 90◦ разрезные ребра [1]; 7 — чередующиеся сферические
выступы — углубления [1]; 8 — внутренние спиральные канавки [1]; 9 — “плотный” контакт выступов с про-
тивоположной стенкой (см. рис. 3); 10 — кривая, характеризующая оребренные поверхности при больших
числах Рейнольдса [11]; 11 — кривая, характеризующая поверхности со сферическими углублениями при
малых числах Рейнольдса (см. рис. 2, 3)
тенсификация теплообмена при этом сохраняется достаточно высокой (Nu/Nu0 = 2,2. . .2,3;
схемы № 5, № 6).
Опытные данные для рассмотренных выше случаев представлены на рис. 4. Здесь же
приведены экспериментальные результаты для других способов интенсификации теплооб-
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2007, №6 73
мена, использующих технику выступов и углублений на стенках канала [1]. Как видно из
рисунка, массив полученных экспериментальных данных располагается в достаточно узкой
области, расположенной между результатами для оребренных поверхностей при больших
числах Рейнольдса (сплошная линия) и данными для поверхностных углублений при малых
числах Рейнольдса (пунктирная линия). Такой диапазон расположения опытных данных
обусловлен различием геометрических характеристик каналов (H/D = 0,1 . . . 3,33), углуб-
лений (h/D = 0,1. . .0,5, γ = 13 . . . 86,5%) и режимных параметров набегающего потока
(Re2H = 4000. . .66000).
Фактор аналогии Рейнольдса больше единицы имеет место только для каналов с углуб-
лениями на одной или обеих сторонах канала без загромождения его поперечного сечения.
Таким образом, наиболее высокими значениями фактора аналогии Рейнольдса харак-
теризуются каналы со сферическими углублениями на обеих сторонах канала в области
низких чисел Рейнольдса. Опережающий рост теплообмена по сравнению с увеличением
гидравлических потерь наблюдается только для каналов с углублениями на одной и обеих
сторонах без загромождения поперечного сечения, которые характеризуются сохранением
вихревой структуры типа торнадо. Такие каналы могут использоваться для разработки
новых вихревых технологий аэротермодинамики и теплообмена.
Результаты, приведенные на рис. 4, показывают, что использование системы координат
[(Nu/Nu
0
)/(f/f0)] — f/f0 позволяет представить опытные данные для интенсификаторов
теплообмена типа углубление — выступ в универсальной форме. Используя полученный
массив экспериментальных данных, при известном значении отношения f/f0 можно опреде-
лить фактор интенсификации теплообмена Nu/Nu0 для новых конфигураций такого типа.
1. Халатов А.А., Борисов И.И., Шевцов С.В. Теплообмен и гидродинамика в полях центробежных
массовых сил. В 6 т. Т. 5 Тепломассообмен и теплогидравлическая эффективность вихревых и закру-
ченных потоков. – Киев: 2005. – С. 3–500.
2. Кикнадзе Г.И., Гачечиладзе И.А., Алексеев В. В. Самоорганизация смерчеобразных струй в пото-
ках вязких сплошных сред и интенсификация тепломассообмена, сопровождающая это явление. –
Москва: Изд-во Моск. энергет. ун-та, 2005. – 83 с.
3. Chyu M.K., Ding H., Downs J. P. Concavity enhanced heat transfer in an internal cooling passage //
Proceedings of ASME Turbo Expo’43, Jun., 1997. – No 97. – GT – 437. – Orlando, 1997. – P. 1–7. –
Florida, USA.
4. Moon S.W., Lau S. C. Turbulent heat transfer measurements on a wall with concave and cylindrical dimples
in a square channel // Proc. ASME Turbo Expo’48, Jun., 2002. – № GT2002. – 30208. – Amsterdam. –
2002. – P. 1–9. – The Netherlands.
5. Burgess N.K., Ligrani P.M. Effects of dimple depth on Nusselt Numbers and Friction Factors for internal
cooling in a channel // Proc. ASME Turbo Expo’50, Jun., 2004. – № GT2004. – 54232. – Vienna, 2004. –
P. 1–10. – Austria.
6. Mahmood G. I., Sabbah M. Z., Ligrani P.M. Heat transfer in a channel with dimples and protrusions on
opposite walls // J. Thermophys. and Heat Transfer. – 2001. – 15, No 3. – P. 275–283.
7. Moon H.K., O’Connell T., Glezer B. Channel height effect on heat transfer and friction in a dimpled
passage // Proc. ASME Turbo Expo’45, Jun., 1999. – No 99. – GT – 163. Indianapolis, 1999. – P. 1–8. –
Indiana, USA.
8. Гортышов Ю.Ф., Олимпиев В. В., Попов И.А. Эффективность промышленно перспективных интен-
сификаторов теплоотдачи // Изв. РАН. – 2002. – № 3. – С. 102–118.
9. Нагога Г.П. Эффективные способы охлаждения лопаток высокотемпературных газовых турбин. –
Москва: Изд-во Моск. авиац. ин-та. – 1996. – 100 с.
10. Маскинская А.Ю. Повышение эффективности теплообменных аппаратов за счет интенсификации
теплообмена на поверхности с лунками // Москва: Моск. энергет. ун-т.: Дис. . . . канд. техн. наук. –
2004.
74 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2007, №6
11. Haasenritter A., Weigand B. Optimization of the rib structure inside 2d cooling channel // Proc. ASME
Turbo Expo’50, Jun., 2004. – № GT2004. – 53187. – Vienna, 2004. – P. 1–10. Austria.
12. Онищенко В.Н., Халатов А.А., Коваленко А.С. Теплогидравлическая эффективность плоских ка-
налов с поверностными генераторами вихрей и выступами // Пром. теплотехника. – 2005. – № 6. –
С. 5–14.
13. Moon H.K., O’Connel T., Sharma R. Heat transfer enhancement using a convex-patterned surface //
Proc. ASME Turbo Expo’48, Jun., 2002. – № GT2002. – 30476. – San Diego, 2002. – P. 1–9.
14. Borisov I., Khalatov A., Kobzar S., Glezer B. Heat transfer and pressure losses in a narrow dimpled channel
structured with spherical protrusions // Proc. ASME Turbo Expo’50, Jun., 2004. – № GT2004. – 54204. –
Reno, 2004. – P. 1–15.
15. Борисов И.И., Халатов А.А., Кобзарь С.Г. Теплообмен и сопротивление в щелевых каналах со
сферическими углублениями и дистанционирующими элементами // Пром. теплотехника. – 2005. –
27, № 5. – С. 10–17.
Поступило в редакцию 22.02.2007Институт технической теплофизики
НАН Украины, Киев
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2007, №6 75
|