Теплообмен за двойным рядом поверхностных генераторов цилиндрической и сферической формы
The experimental data on the heat transfer on a flat plate after the double array of surface indentations are given. The transition to the turbulent flow after the indentations occurs according to the “bypass” mechanism. It is shown that the shape, depth, and span-wise pitch do not influence the he...
Saved in:
| Date: | 2008 |
|---|---|
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2008
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/4162 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Теплообмен за двойным рядом поверхностных генераторов цилиндрической и сферической формы / А.А. Халатов, В.Н. Онищенко // Доп. НАН України. — 2008. — № 2. — С. 91-96. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859593967419523072 |
|---|---|
| author | Халатов, А.А. Онищенко, В.Н. |
| author_facet | Халатов, А.А. Онищенко, В.Н. |
| citation_txt | Теплообмен за двойным рядом поверхностных генераторов цилиндрической и сферической формы / А.А. Халатов, В.Н. Онищенко // Доп. НАН України. — 2008. — № 2. — С. 91-96. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| description | The experimental data on the heat transfer on a flat plate after the double array of surface indentations are given. The transition to the turbulent flow after the indentations occurs according to the “bypass” mechanism. It is shown that the shape, depth, and span-wise pitch do not
influence the heat transfer intensity after the double array of indentations.
|
| first_indexed | 2025-11-27T17:57:25Z |
| format | Article |
| fulltext |
оповiдi
НАЦIОНАЛЬНОЇ
АКАДЕМIЇ НАУК
УКРАЇНИ
2 • 2008
ТЕПЛОФIЗИКА
УДК 532.516:536.24.01
© 2008
Член-корреспондент НАН Украины А.А. Халатов, В. Н. Онищенко
Теплообмен за двойным рядом поверхностных
генераторов цилиндрической и сферической формы
The experimental data on the heat transfer on a flat plate after the double array of surface
indentations are given. The transition to the turbulent flow after the indentations occurs accordi-
ng to the “bypass” mechanism. It is shown that the shape, depth, and span-wise pitch do not
influence the heat transfer intensity after the double array of indentations.
В настоящее время хорошо известны и используются в технике более двадцати пяти мето-
дов интенсификации теплообмена, среди которых наиболее известными являются градиент
давления, шероховатость поверхности, закрутка потока, внешняя турбулентность, поверх-
ностные ребра и выступы, формирующие вихревые структуры различного типа.
Однако особый интерес представляют поверхностные углубления, генерирующие пуль-
сирующие вихри, близкие по своей структуре к природным вихрям торнадо и характери-
зующиеся опережающим ростом теплообмена по сравнению с сопутствующими потерями
давления [1, 2]. Выходя из углубления, вихрь разрушает пограничный слой между углуб-
лениями, изменяя хаотическую ориентацию множества мелких турбулентных вихрей в на-
правлении его вращения. Это не только прерывает каскадный механизм диссипации турбу-
лентности, но и создает благоприятные условия для опережающего роста теплообмена по
сравнению с увеличением гидравлических потерь.
Для некоторых технических приложений перспективным представляется использование
двойного ряда углублений. В этом случае углубления первого ряда находятся в условиях,
характерных для одиночного углубления, а структура потока в углублении второго ряда
подвержена влиянию двух соседних и двух расположенных выше углублений, между кото-
рыми имеется свободное пространство для прохождения набегающего потока (рис. 1). Вих-
ревая структура первого ряда, взаимодействуя с вихрями, генерируемыми вторым рядом
углублений, формирует нестационарную “вихревую сетку” между углублениями, которая
характеризуется пространственно-временной синхронизацией [1].
В работе [3] изучены единичные углубления различной формы, расположенные на плос-
кой пластине, где показано, что форма углубления играет важную роль в распределении
теплообмена за одиночным углублением. Ниже представлены экспериментальные данные
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2008, №2 91
по теплообмену за двумя рядами углублений различной формы. Изучены сферические и ци-
линдрические углубления умеренной и существенной глубины (h/D = 0,20 и 0,30).
Экспериментальная установка. Представляет собой аэродинамическую трубу от-
крытого типа, работающую при атмосферном давлении. Воздух от центробежного венти-
лятора ВВД5–1 подается в ресивер и далее через входное сопло и участок стабилизации по-
ступает в экспериментальный участок. Ресивер, в котором установлена сетка с мелкой ячей-
92 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2008, №2
Рис. 1. Теплообмен за двойным рядом углублений (Sх/D = 2,0):
а — за отверстием первого ряда на оси симметрии; б — на линии, проходящей через кромку углублений;
в — за отверстием второго ряда на оси симметрии
кой, предназначен для сглаживания пульсаций потока и выравнивания скоростного поля.
Профилирование входного сопла по кривой Витошинского обеспечивает перед эксперимен-
тальным участком достаточно равномерный профиль скорости с минимальной толщиной
пограничного слоя. Дополнительная магистраль с поворотным затвором обеспечивает сброс
избыточного воздуха в атмосферу для изменения расхода воздуха через эксперименталь-
ный участок. После экспериментального участка воздух поступает в переходник, который
“нивелирует” эффект расширения канала, затем попадает в успокоитель и выбрасывается
в атмосферу.
Экспериментальный участок имеет форму канала прямоугольного сечения, нижняя
стенка которого представляет собой тонкостенный металлический нагреватель, покрытый
тонким слоем золота. Нагреватель приклеен на толстую пенопластовую основу для сни-
жения тепловых потерь. Для визуализации поверхностной картины течения нагреватель
покрывался тонким слоем жидкого кристалла, который меняет цвет при изменении тем-
пературы поверхности.
Методика определения локального теплообмена основана на поддержании постоянного
теплового потока от нагреваемой поверхности к воздушному потоку. Величина теплового
потока через исследуемую поверхность контролировалась цифровым вольтметром В7–46/1.
Температура стенки на поверхности теплообмена определяется хромель-алюмелевыми тер-
мопарами, расположенными по длине поверхности, а температура воздуха на входе в экспе-
риментальный участок измеряется ртутным образцовым термометром. Для контроля теп-
ловых потерь на обратной стороне экспериментального участка, а также на его боковых
поверхностях установлены дополнительные термопары. Сигнал от термопар через коммута-
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2008, №2 93
тор измерительных сигналов Ф799/1 подается к цифровому вольтметру. Полное и статичес-
кое давление на входе, которые характеризуют скорость потока перед экспериментальным
участком, измеряются микроманометром типа АЛД.
Скорость потока на входе в экспериментальный участок W изменялась от 4,1 до 16,6 м/с,
а число Рейнольдса ReD, построенное по диаметру углубления, — от 6400 до 26400.
Двойной ряд углублений. Перед экспериментальным участком устанавливалась пря-
моугольная пластина из органического стекла, на которой выполнены два ряда поверхност-
ных углублений (поверхностных генераторов вихрей) сферической или цилиндрической
формы. Пластина с углублениями имеет возможность перемещения поперек потока, что
позволяет определить коэффициент теплоотдачи в поперечном направлении — за углубле-
ниями первого и второго ряда, а также в области между ними.
Углубления расположены в шахматном порядке так, что их центры образуют рав-
нобедренный треугольник с основанием, равным поперечному шагу углублений Sx. Все
углубления имеют диаметр D = 25 мм, относительный шаг в продольном направлении
Sz/D = 0,64. В поперечном направлении относительный шаг имел два значения; первое из
них, Sx/D = 2,0, характеризует случай, когда углубления второго ряда полностью запол-
няют пространство между углублениями первого ряда (нет “перекрытия” углублений). Во
втором случае поперечный шаг в обоих рядах имеет меньшее значение (Sx/D = 1,5), что
формирует взаимное “перекрытие” отверстий первого и второго ряда, составляющее 50%
по поперечной координате. Относительная глубина отверстий h/D для обеих конфигура-
ций составляла 0,20 и 0,30, что в зависимости от величины числа Рейнольдса формирует
парный или пульсирующий вихрь внутри углубления [1].
Теплообмен за двойным рядом углублений (Sx/D = 2,0). Результаты измерения
локального теплообмена представлены на рис. 1. Здесь эмпирические зависимости 1 и 2
характеризуют соответственно теплообмен на пластине при ламинарном и турбулентном
течении потока [4]. Число Рейнольдса Rex построено по скорости внешнего потока W и ко-
ординате X∗, которая отсчитывается от задней кромки углубления первого/второго ряда
(рис. 1, а, в), или точки контакта отверстий первого и второго ряда (рис. 1, б ). Число
Нуссельта Nux построено по коэффициенту теплоотдачи на соответствующей линии и рас-
стоянию X∗.
Анализ полученных результатов (см. рис. 1) показывает, что в исследованном диапазоне
изменения числа Рейнольдса имеет место “байпасный” переход к турбулентному режиму,
который характеризуется отсутствием переходной области. Судя по теплообмену, возникно-
вение турбулентности за углублениями первого и второго ряда, а также на линии, прохо-
дящей через кромку углублений, происходит в узкой области изменения числа Рейнольдса
Rex от 2100 до 2700. Приведенные выше критические числа Рейнольдса значительно мень-
ше данных для плоской пластины, где переход к турбулентному режиму начинается при
Rex ≈ 3,5 · 10
5 [5].
Как следует из рис. 1, опытные данные по теплообмену за углублениями первого и вто-
рого ряда становятся идентичными данным для турбулентного течения на плоской пластине
при Rex ≈ 10
6. Отсюда следует важное практическое соотношение для предельного рассто-
яния X∗∗ (длины вихревого “следа”), где теплообмен за углублением и на плоской пластине
становятся одинаковыми
X∗∗
D
=
10
6
ReD
. (1)
94 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2008, №2
Рис. 2. Теплообмен на оси симметрии за углублением второго ряда. Двойной ряд с “перекрытием” углубле-
ний (Sх/D = 1,50)
Для исследованных условий расчетная длина вихревого “следа” X∗∗/D за углублениями
составляет от 38 до 156. Поскольку деградация вихревого движения за углублениями но-
сит асимптотический характер, то технически важная длина вихревого “следа” несколько
меньше величины, найденной из уравнения (1).
Другой важный вывод состоит в том, что для исследованных условий теплообмен за
двойным рядом углублений практически не зависит от формы углубления (сферическая,
цилиндрическая) и его глубины (h/D = 0,20; 0,30). Этот вывод отличается от результатов,
полученных для одиночного углубления различной формы [1–3].
Теплообмен за двойным рядом углублений (Sx/D = 1,50). Результаты измере-
ния показали, что взаимное “перекрытие” углублений первого и второго ряда не оказывает
заметного влияния на величину критического числа Рейнольдса, характеризующего “бай-
пасный” переход к турбулентности. Переход к турбулентному течению за первым и вторым
рядом углублений, а также на линии, проходящей через область “перекрытия” углублений,
происходит при Rex = 2100–2700 (рис. 2). Таким образом, теплообмен за двойным рядом при
“перекрытии” углублений незначительно отличается от теплообмена при отсутствии “пере-
крытия”. Так же, как и в предыдущем случае, теплообмен за двойным рядом углублений
с “перекрытием” углублений практически не зависит от формы углубления (сферическая,
цилиндрическая) и его глубины (h/D = 0,20; 0,30).
Анализ полученных результатов показывает, что наиболее высокий уровень интенсифи-
кации теплообмена (Nux/Nuxo = 3,5–4,2; Nuxo — число Рейнольдса для ламинарного тече-
ния на пластине) имеет место в некоторой области чисел Рейнольдса перед точкой перехода
от ламинарного течения к турбулентному на плоской пластине. Основываясь на диапазоне
чисел Рейнольдса, изученных в настоящей работе, можно заключить, что длина поверх-
ности, на которой происходит рост отношения Nux/Nuxo за двойным рядом углублений,
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2008, №2 95
может составлять от 10 до 50 диаметров углубления. Последнее значение соответствует
области малых чисел Рейнольдса.
В заключение сделаем следующие выводы.
1. За цилиндрическими или сферическими углублениями, расположенными в первом
и втором ряду двойного ряда, переход к турбулентности происходит по “байпасному” ме-
ханизму.
2. Переход к турбулентному режиму за двойным рядом цилиндрических и сферичес-
ких углублений происходит при Rex = 2100. . .2700. “Перекрытие” между углублениями не
оказывает заметного влияния на критическое число Рейнольдса и теплообмен за двумя
рядами углублений.
3. Для исследованных условий глубина и форма углубления практически не оказывают
влияния на теплообмен за двойным рядом углублений.
1. Халатов А.А., Борисов И.И., Шевцов С.В. Теплообмен и гидродинамика в полях центробежных
массовых сил. Т. 5. – Тепломассообмен и теплогидравлическая эффективность вихревых и закручен-
ных потоков. – Киев: Изд. Ин-та техн. теплофизики НАН Украины, 2005. – 500 с.
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. Моск. энергетич. ун-та, 2005. – 83 с.
3. Ekkad S. V., Han J. C. Heat transfer inside and downstream of cavities using transient liquid crystal
method // Thermophysics and Heat Transfer, July – September. – 1996. – P. 511–516.
4. Уонг Х. Основные формулы и данные по теплообмену для инженеров. – Москва: Атомиздат, 1979. –
213 с.
5. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. – Москва: Наука, 1969. – 742 с.
Поступило в редакцию 27.06.2007Институт технической теплофизики
НАН Украины, Киев
96 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2008, №2
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-4162 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1025-6415 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-27T17:57:25Z |
| publishDate | 2008 |
| publisher | Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Халатов, А.А. Онищенко, В.Н. 2009-07-16T09:32:59Z 2009-07-16T09:32:59Z 2008 Теплообмен за двойным рядом поверхностных генераторов цилиндрической и сферической формы / А.А. Халатов, В.Н. Онищенко // Доп. НАН України. — 2008. — № 2. — С. 91-96. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 1025-6415 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/4162 532.516:536.24.01 The experimental data on the heat transfer on a flat plate after the double array of surface indentations are given. The transition to the turbulent flow after the indentations occurs according to the “bypass” mechanism. It is shown that the shape, depth, and span-wise pitch do not influence the heat transfer intensity after the double array of indentations. ru Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Теплофізика Теплообмен за двойным рядом поверхностных генераторов цилиндрической и сферической формы Article published earlier |
| spellingShingle | Теплообмен за двойным рядом поверхностных генераторов цилиндрической и сферической формы Халатов, А.А. Онищенко, В.Н. Теплофізика |
| title | Теплообмен за двойным рядом поверхностных генераторов цилиндрической и сферической формы |
| title_full | Теплообмен за двойным рядом поверхностных генераторов цилиндрической и сферической формы |
| title_fullStr | Теплообмен за двойным рядом поверхностных генераторов цилиндрической и сферической формы |
| title_full_unstemmed | Теплообмен за двойным рядом поверхностных генераторов цилиндрической и сферической формы |
| title_short | Теплообмен за двойным рядом поверхностных генераторов цилиндрической и сферической формы |
| title_sort | теплообмен за двойным рядом поверхностных генераторов цилиндрической и сферической формы |
| topic | Теплофізика |
| topic_facet | Теплофізика |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/4162 |
| work_keys_str_mv | AT halatovaa teploobmenzadvoinymrâdompoverhnostnyhgeneratorovcilindričeskoiisferičeskoiformy AT oniŝenkovn teploobmenzadvoinymrâdompoverhnostnyhgeneratorovcilindričeskoiisferičeskoiformy |