Особливості гідродинаміки кільцевих мікроканалів з нормальною шорсткістю поверхні

Приводятся результаты экспериментальных исследований гидродинамики кольцевых микроканалов с нормальной шероховатостью стенок для потока жидкости без теплообмена, в диапазоне чисел Рейнольдса, охватывающем ламинарный и турбулентный режимы течения. Подаються результати експериментальних досліджень гід...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Published in:	Промышленная теплотехника
Date:	2004
Main Authors:	Малкін, Е.С., Тимощенко, А.В.
Format:	Article
Language:	Ukrainian
Published:	Інститут технічної теплофізики НАН України 2004
Subjects:	Тепло- и массообменные процессы
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/61590
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:	Особливості гідродинаміки кільцевих мікроканалів з нормальною шорсткістю поверхні / Е.С. Малкін, А.В. Тимощенко // Промышленная теплотехника. — 2004. — Т. 26, № 6. — С. 83-88. — Бібліогр.: 12 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1859877912831852544
author	Малкін, Е.С. Тимощенко, А.В.
author_facet	Малкін, Е.С. Тимощенко, А.В.
citation_txt	Особливості гідродинаміки кільцевих мікроканалів з нормальною шорсткістю поверхні / Е.С. Малкін, А.В. Тимощенко // Промышленная теплотехника. — 2004. — Т. 26, № 6. — С. 83-88. — Бібліогр.: 12 назв. — укр.
collection	DSpace DC
container_title	Промышленная теплотехника
description	Приводятся результаты экспериментальных исследований гидродинамики кольцевых микроканалов с нормальной шероховатостью стенок для потока жидкости без теплообмена, в диапазоне чисел Рейнольдса, охватывающем ламинарный и турбулентный режимы течения. Подаються результати експериментальних досліджень гідродинаміки кільцевих мікроканалів з нормальною шорсткістю стінок для потоку рідини без теплообміну в діапазоні чисел Рейнольдса, що охоплює ламінарний та турбулентний режими течії. To produce research results hydrodynamics of the micro annulus with normal roughness the walls for flow without heat transfer at the laminar and turbulence rate.
first_indexed	2025-12-07T15:51:56Z
format	Article
fulltext	Тепло- и массообменные процессы УДК 621.311.22: 532.517.4 МАЛКІН Е.С., ТИМОЩЕНКО А.В. Ін-т технічної теплофізики НАН України ОСОБЛИВОСТІ ГІДРОДИНАМІКИ КІЛЬЦЕВИХ МІКРОКАНАЛІВ З НОРМАЛЬНОЮ ШОРСТКІСТЮ ПОВЕРХНІ Подаються результати експеримен- тальних досліджень гідродинаміки кіль- цевих мікроканалів з нормальною шорс- ткістю стінок для потоку рідини без теп- лообміну в діапазоні чисел Рейнольдса, що охоплює ламінарний та турбулент- ний режими течії. Приводятся результаты эксперимен- тальных исследований гидродинамики кольцевых микроканалов с нормальной ше- роховатостью стенок для потока жидкости без теплообмена, в диапазоне чисел Рей- нольдса, охватывающем ламинарный и турбулентный режимы течения. To produce research results hydro- dynamics of the micro annulus with normal roughness the walls for flow without heat transfer at the laminar and turbulence rate. – коефіцієнт опору тертя; d = цевої щіли- – п ля проходу теплоносія, м2; – довжина кільцевої щілини, м; ольда; 3 cf d1, d2 – діаметри внутрішнього та зовнішнього циліндрів кільцевої щілини, м; de 2-d1 – гідравлічний діаметр кіль ни, м; ереріз дf G − витрата, кг/с; L Р – змочений периметр, м; р – тиск, МПа; Re – число Рейн Т − температура, °С; V – внутрішній об’єм ділянки, м ; x – характерний лінійний розмір, м. Вступ дність виПрактична необхі користання кільце- вих каналів в контурах охолодження атомних реа- кторів, в елементах контрольно-вимірювальних приладів, запірно-регулюючий арматурі та тепло- масообмінних пристроях призвела до того, що у вітчизняній та зарубіжній літературі питанням до- слідження процесів гідродинаміки та тепло- масообміну в каналах кільцевого перерізу при- свячена велика кількість публікацій. Серед робіт вітчизняних вчених слід зупинитись на публікаці- ях В.І. Субботіна та П.А. Ушакова з співавторами, що присвячені питанням дослідження гідродина- міки [1-3] та теплообміну [4] в кільцевих зазорах; Б.С. Петухова та Л.І. Ройзена [5], які в широких діапазонах чисел Рейнольдса та відношень d зн 1/d2, провели дослідження потоків стисненого повітря при умові одно - та двостороннього підігріву та отримали інтегральні співвідношення для темпе- ратурного поля та коефіцієнтів теплообміну. Ре- зультати опублікованих експериментальних до- сліджень айшли своє відображення в методиках розрахунку динамічних та теплових характерис- тик потоків рідини (в тому числі рідких металів) та газу, в кільцевих каналах [6]. Питанням теоре- тичного дослідження полів швидкостей та темпе- ратур в каналах кільцевого перерізу присвячені роботи Н.І. Булєєва [7, 8]. Окремо слід зупинитись на роботах В.І. Толубінського та дослідників ки- ївської школи [9], присвячених вивченню кризо- вих явищ в каналах кільцевого перерізу. Проте, незважаючи на великий напрацьований матеріал та створені методики інженерного розра- хунку основних характеристик потоку в кільцевих каналах, виникає необхідність в їх подальшому дослідженні та вивченні. Нові зразки техніки [10] викликають необхідність вивчення процесів гід- родинаміки та теплообміну в кільцевих каналах з розмірами 50...300 мкм (далі в тексті – кільцевих мікроканалах). При таких зазорах технологічні допуски на геометричні розміри можна порівню- вати з розмірами кільцевих мікроканалів, а впливи ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2004, т. 26, № 6 83 Тепло- и массообменные процессы фізичних властивостей поверхні та якості її обро- бки (шорсткості) починають відігравати значення значно більші, ніж до цього їм відводилось в ка- налах з великими геометричними розмірами (ве- ликими відносно абсолютних значень шорсткос- ті). Мета дослідження Метою дослідження даної роботи є вивчення поведінки по евих мікро- ка 1 Методи дослідження Стенд для та теплових характеристи вих мікро- ка я (19). p0, G0, T0) по н и д ється диферен- цій току рідини в кільц налах нормальної шорсткості без теплообміну, з розмірами щілини 25...222 мкм. Результати до- сліджень представлені у вигляді графічних залеж- ностей коефіцієнтів опору тертя від числа Рейно- льдса. дослідження динамічних к потоку рідини в кільце налах представлено на рис. 1. Він складається з робочої ділянки (6), теплогенератора (21), тепло- обмінника (14), водяного насоса (13), повітряного компресора (16), вимірю-вальних та контрольно- регулюючих приладів та систем (1-4, 8, 9, 20, 23), запірно-регулюючої арматури. Управління електроспоживаючими приладами здійснюється з пульта управлінн Вимірювання проводяться наступним чином. Після насосу потік води з параметрами ( трубопроводу (15) надходить в тепло- генератор, підігрівається, та з параметрами (p1, G0, T1) адходить до робочої ділянки (у в па ку до- слідження ізотермічного потоку підігрів не здійс- нюється). Після робочої ділянки потік через теп- лообмінник прямує в резервуари. Вимірювання середньої температури потоку рідини в робочій ділянці викону ними хромель-алюмелевими (ХА) термопара- ми, що підключені до вольтметра універсального цифрового В7-40/5 (2). Надлишковий статичний тиск на вході та виході з робочої ділянки вимірю- ється зразковими пружинними манометрами (3). Надлишковий статичний тиск та перепад тиску в кільцевому мікроканалі вимірюється зразковим P ~380 V 9.0 kW ~220 V 0.2 kW PPPT 0.00 mV T V ? ~220 V 1.0 kWK T 1 2 3 64 8 9 11 12131719 20 21 22 1'' 1'' 1/ 2'' 1'' 1/ 2'' 1/ 2'' 1/ 2'' 16 1'' P V A 5 7 10 1418 23 15 24 25 2627 1/ 2'' 1/ 2'' Рис. 1. Принципова схема стенду дослідження гідродинамічних та теплових характеристик потоку рідини в кільцевих мікроканалах. 84 ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2004, т. 26, № 6 Тепло- и массообменные процессы пружинним манометром та диференційним мано- метром ДТ150 (8). В якості робочої рідини використовується чотирьоххлористий вуг- лець (СС 4l ± зовнішньою поверх- не розмі- рів і, внутрішня поверхня якого ви ок визначались оптичним методом на отвори діа- ме м (27). На зовнішню поверхню ро- бо . ), відносна густина 1,5954 0,01 %, підфарбований суданом. Витрата рідини вимірю- ється об’ємним способом – фіксується об’єм рі- дини, що надходить до циліндру мірного за оди- ницю часу, вимірюється температура рідини та зовнішнього повітря (9). Робоча ділянка представляє собою кільцевий мікроканал, утворений між ю поршня (25), що розміщений в патрубку (26), та внутрішньою поверхнею патрубка. Кільцевий мікроканал може утворюватись як концентрич- ним, так і з заданим ексцентриситетом, це здійс- нюється шляхом зміни розмірів стабілізаторів на поршні. Зміна ширини, довжини, якості та влас- тивостей поверхні кільцевого мікроканалу вико- нується шляхом заміни поршня в патрубку. Розмір мікроканалу – ширина, довжина – ви- значається аналітично, виходячи з дійсних елементів, що утворюють канал – зовнішнього та внутрішнього діаметрів, висоти поршня, висоти та кроку шорсткості. Динамічні характеристики потоку рідини до- сліджувались в канал конувалась з латуні (Л63) або фторопласту (фторопласт 40), зовнішня – з нержавіючої сталі (12Х18Н10Т). Якість обробки поверхні каналу та величина шорсткості стін бінокулярному мікроскопі МБС-1. Фрагменти фотокарток внутрішньої поверхні каналу (викона- ної з латуні Л63) подаються на рис. 2. Надлишковий статичний тиск та перепад тиску в каналі вимірювався через імпульсні тром 1,5 мм. Відліки беруться в двох діаметра- льно розташованих точках перерізу (з метою зме- ншення впливів нерівномірного розподілу полів швидкостей, обумовлених відхиленнями геомет- ричних розмірів поверхонь каналів від їх виміря- них значень). Ізоляція робочої ділянки забезпечується на- ступним чино чої ділянки нанесено шар мінеральної вати з розта-шованим в ньому нагрівальним елементом (ніхромовий дріт, підключений до джерела по- стійного струму через ЛАТР (5)). Температура на зовнішній поверхні кільцевої щілини підтриму- ється рівною середній температурі потоку рідини на вході в канал. Торцева поверхня поршня ізолю- ється шаром мінеральної вати. Таким чином, до- сягається рівність температур поверхонь каналу та середньої температури потоку та виключається вплив процесу теплообміну на процес переносу кількості руху. Геометричні розміри кільцевих каналів пода- ються в таблиці а) б) в) Рис. 2. Приклади шорсткості поверхні каналу: а) шорсткість, вид зверху; б) розріз поверхні, висота шорсткості, вид збоку; в) масштаб, ціна поділки 14 мкм; напрямок руху рідини вказано стрілкою. ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2004, т. 26, № 6 85 Тепло- и массообменные процессы Т а б л . Геометричні розміри кільцевих мікро каналів Діаметри, мм № п/п Канал d1 d2 dе Розміри щі- лини, мкм Довжина L, мм d1 /d2 1 11 14,790 15,040 0,250 125 20,0 0,983 2 12 14,698 15,040 0,342 171 20,0 0,977 3 13 14,595 15,040 0,445 222 20,0 0,970 Оцінка похибок вимірювання експерименталь- ни даних виконувалась, базуючись на теорії ймо- вір ворення результатів Поведінка рідини в каналі 13 добре узгоджу- ється з ві в кіл х ності та теорії похибок [11]. Відносна похибка результатів вимірювання знаходиться в інтервалі ε = 10...15 %. Обго домими результатами про течію рідини ьцевих каналах [1], спостерігаються ламінар- ний та турбулентний режими руху. В області ла- мінарного режиму руху експериментальні дані з похибкою 5...7 % описуються рівнянням 2 64 Ref dc d ⎛ ⎞ 1 = ψ Для круглої би 1 ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ . тру ψ = , для плоскої щілини 1,5ψ = (крива 1 на рис. 3): 96 . Refс ≈ (1) У вип 15...30 % ри відхилення можна пояснити наявністю адку турбулентного режиму руху з похибкою описуються формулою Блазіуса, крива 2 на с. 3: 0.250.316 Refс −= ⋅ . (2) Такі Рис. 3. Коефіцієнт тертя для концентричного кільцевого каналу: 1 – крива за залежністю (1); 2 – крива за залежністю (2). 1 2 86 ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2004, т. 26, № 6 Тепло- и массообменные процессы ексцентриситету в каналі, який призводить до 40 % [1]. зменшення коефіцієнтів опору тертя, до Результати отримані для каналу 12 свідчать про наявність ламінарного режиму руху в області чи- сел Рейнольдса 200...6000, похибка при застосу- ванні залежності (1) дорівнює 5...10 %. Одночасно інша група точок з похибкою 10÷15% описується залежністю (2). Слід відмітити, що жодних захо- дів щодо заспокоєння потоку на вході в канал не проводилось, а поверхні каналу мали нормальну шорсткість. Існування в одному інтервалі чисел Рейнольдса як ламінарного, так і турбулентного режимів течій, може бути пояснено наступним чином. Дослідження виконувались серіями. Після виконання серії замірів утворювався новий кіль- цевий канал шляхом розвороту поршня на 180°. Новий канал мав певний ексцентриситет, який внаслідок нерівномірності розповсюдження полів швидкостей та дотичних напружень, призводив до виникнення турбулентного режиму руху. Результати, отримані для концентричного кільцевого мікроканалу 11, свідчать про наявність ламінарного режиму руху в діапазоні чисел Рей- нольдса 60...3000, проте їх апроксимація залежні- стю (1) дає сталу величину похибки в 44 %. Таким чином, крім затягування ламінарного режиму ру- ху спостерігається відхилення отриманих значень коефіцієнтів опорів тертя від значень, розрахова- них за залежністю (1). Отримані експериментальні значення з похиб- кою 10% апроксимуються залежністю: 120.3 Re = . Вивчення впливу шорсткості на гідр fc одинамічні потоку починається з дослідів Ні-характеристики курадзе з пісчаною шорсткістю. Вітчизняними вченими була виконана робота по вивченню особ- ливостей гідродинаміки труб з регулярною штуч- ною шорсткістю стінок [12]. При розгляді течії в шорстких трубах виникло питання про вибір ха- рактерного визначаючого розміру – гідравлічного діаметру. Зазвичай його рекомендовано знаходити за залежністю [6] P f4x = . (3) Або для труб [12]: L V2x π = . (4) у в якості гідравлічного діа- ґрунтованим зон d Вибір цього розмір метру, за думкою авторів [12], не є достатньо об- , оскільки до нього включено вихрові и за виступами шорсткості та перед ними, в які основний потік фактично не потрапляє. Викорис- тання характерного розміру, визначеного за зале- жністю (4) в області ламінарного режиму течії для різних видів шорсткості, призводить до розмежо- вування результатів та їх незадовільної кореляції з залежністю Пуазейля. Виключення об’єму вихро- вих зон між елементами шорсткості V0 з об’єму V призводить до зменшення значення гідравлічного діаметру та доброму узгодженню експеримента- льних даних з залежністю Пуазейля [12]. У випадку гладкого кільцевого каналу розра- хунок гідравлічного діаметру за формулою (3) дає наступний результат [6]: 12 dd −= . (5) Обробка експериментальних даних вико- нувалась для гідравлічного діаметру підраховано- , н поверхні, розглянемо два ва- ріа го за формулою (5). Вважаючи що завищені значен я втрат тиску по довжині кільцевого мікроканалу, обумовлені впливом шорсткості нти течії в каналі. В першому випадку, спира- ючись на результати роботи [12], вважаємо що обтікання виступів шорсткості призводить до утворення вихрових зон, які обумовлюють додат- кову дисипацію енергії в каналі. В другому випа- дку, вважаємо що рідина рухається без вихорів, плавно огинаючи виступи шорсткості, а додаткові втрати тиску обумовлені збільшенням площі біч- ної поверхні каналу і, як наслідок, збільшенням впливу поверхневих сил на потік рідини. Як в першому, так і в другому випадках, розрахований гідравлічний діаметр буде меншим від розміру, підрахованому за залежністю (5). Подальші на- працювання експериментального матеріалу з шо- рсткими поверхнями, а також серії дослідів з по- лірованими поверхнями дозволять пояснити отримані результати та розкрити механізм течії рідини в кільцевих мікроканалах. ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2004, т. 26, № 6 87 Тепло- и массообменные процессы Висновки В концентричних каналах з малими геометричними роз рмальною шорст- кіс та до- ти ь призводить до занижених ро 1. Шевченко Ю.Д И., Ушаков П.А., Шейнина А.В. в кольцевом за- 2. Уш в родинамических характеристик ту- 3. кольцевых 4. ообмен жидких Одержано 27.10.2004 р. кільцевих мірами та но тю можливе затягування ламінарного режиму течії без проведення спеціальних заходів. В кільцевих мікроканалах з ексцентриситетом утворюється неоднорідність полів швидкостей чних напружен , що призводить до переходу ламі- нарного режиму течії в турбулентний в інтервалі чисел Рейнольдса 2300...2500. Неврахування шорсткості поверхонь в кіль- цевих мікроканалах зрахункових значень коефіцієнтів опорів тертя. Поставлено питання про коректність використан- ня залежності (5) для визначення гідравлічного ді- аметру в кільцевих каналах з нормальною шорст- кістю. ЛІТЕРАТУРА ., Субботин В. Гидродинамика зоре с продольными ребрами, сб. статей Жид- кие металлы.- М.: Атомиздат, 1967.- С. 102-111. Субботин В.И., ако П.А. Приближенные расчеты гид рбулентного потока жидкости в кольцевых ка- налах // Теплофизика высоких температур.- 1972.- Т. 10.- № 5.- С. 1025-1030. Ушаков П.А. Влияние эксцентриситета на гид- родинамические характеристики каналов// Теплофизика высоких температур, 1976.- Т. 14.- № 1.- С. 106-111. Субботин В.И., Таланов В.Д., Ушаков П.А. Вли- яние эксцентриситета на тепл металлов в кольцевом зазоре// сб. статей Жид- кие металлы.- М.: Атомиздат, 1967.- С. 111-123. 5. Пєтухов Б.С., Ройзен Л.И. Теплообмен в трубах кольцевого сечения// Инженерно-физический журнал.- 1963.- Т. VI.- № 3.- С. 3-11. 6. Справочник по теплогидравлическим расчетам (ядерные реакторы, теплообменники, парогене- раторы)// П.Л. Кириллов, Ю.С. Юрьев, В.П. Бо- бков; под общ. ред. П.Л. Кириллова.- 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Энергоатомиздат, 1990.- 360 с.: ил. 7. Булеев Н.И., Мосолова В.А., Ельцова Л.Д. Теп- лоотдача в турбулентных потоках жидкости в кольцевых и плоских зазорах// сб. статей Жид- кие металлы.- М.: Атомиздат, 1967.- С. 123-131. 8. Булеев Н.И. О турбулентных течениях несжи- маемой жидкости в различных каналах, Турбулентные течения // Труды Всесоюзной школы по проблемам турбулентных течений жидкостей и газов.- М.: Изд. «Наука», 1977.- С. 181-188. 9. Толубинский В.И., Домашев Е.Д. Кризис тепло- отдачи при кипении в кольцевых каналах // Во- просы атомной науки и техники, выпуск 1(30).- М.: НИКИЭТ, 1983.- С. 58-68. 10.Малкін Е.С., Фуртат І.Е., Тимощенко А.В., Ту- рос Г.А. Деклараційний патент на винахід "Конденсатовідвідник" № 99063083 от 15.02.2001 г. 11.Зайдель А.Н. Элементарные оценки ошибок измерений. Изд. 2-е испр. и доп. Л., «Наука», Ленинградское отд., 1967.- 155 с. 12.Субботин В.И., Ибрагимов М.Х., Таранов Г.С., Гусаков В.И. Особенности гидродинамики труб с регулярной искусственной шерохо-ватостью стенок // Турбулентные течения. Труды Всесо- юзной школы по проблемам турбулентных те- чений жидкостей и газов.- М.: Изд. «Наука», 1977.- С. 64-69. 88 ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2004, т. 26, № 6
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-61590
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	0204-3602
language	Ukrainian
last_indexed	2025-12-07T15:51:56Z
publishDate	2004
publisher	Інститут технічної теплофізики НАН України
record_format	dspace
spelling	Малкін, Е.С. Тимощенко, А.В. 2014-05-08T07:12:11Z 2014-05-08T07:12:11Z 2004 Особливості гідродинаміки кільцевих мікроканалів з нормальною шорсткістю поверхні / Е.С. Малкін, А.В. Тимощенко // Промышленная теплотехника. — 2004. — Т. 26, № 6. — С. 83-88. — Бібліогр.: 12 назв. — укр. 0204-3602 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/61590 621.311.22: 532.517.4 Приводятся результаты экспериментальных исследований гидродинамики кольцевых микроканалов с нормальной шероховатостью стенок для потока жидкости без теплообмена, в диапазоне чисел Рейнольдса, охватывающем ламинарный и турбулентный режимы течения. Подаються результати експериментальних досліджень гідродинаміки кільцевих мікроканалів з нормальною шорсткістю стінок для потоку рідини без теплообміну в діапазоні чисел Рейнольдса, що охоплює ламінарний та турбулентний режими течії. To produce research results hydrodynamics of the micro annulus with normal roughness the walls for flow without heat transfer at the laminar and turbulence rate. uk Інститут технічної теплофізики НАН України Промышленная теплотехника Тепло- и массообменные процессы Особливості гідродинаміки кільцевих мікроканалів з нормальною шорсткістю поверхні Hydrodynamic characteristics of flow in the annular micro channels with normal surface roughness Article published earlier
spellingShingle	Особливості гідродинаміки кільцевих мікроканалів з нормальною шорсткістю поверхні Малкін, Е.С. Тимощенко, А.В. Тепло- и массообменные процессы
title	Особливості гідродинаміки кільцевих мікроканалів з нормальною шорсткістю поверхні
title_alt	Hydrodynamic characteristics of flow in the annular micro channels with normal surface roughness
title_full	Особливості гідродинаміки кільцевих мікроканалів з нормальною шорсткістю поверхні
title_fullStr	Особливості гідродинаміки кільцевих мікроканалів з нормальною шорсткістю поверхні
title_full_unstemmed	Особливості гідродинаміки кільцевих мікроканалів з нормальною шорсткістю поверхні
title_short	Особливості гідродинаміки кільцевих мікроканалів з нормальною шорсткістю поверхні
title_sort	особливості гідродинаміки кільцевих мікроканалів з нормальною шорсткістю поверхні
topic	Тепло- и массообменные процессы
topic_facet	Тепло- и массообменные процессы
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/61590
work_keys_str_mv	AT malkínes osoblivostígídrodinamíkikílʹcevihmíkrokanalívznormalʹnoûšorstkístûpoverhní AT timoŝenkoav osoblivostígídrodinamíkikílʹcevihmíkrokanalívznormalʹnoûšorstkístûpoverhní AT malkínes hydrodynamiccharacteristicsofflowintheannularmicrochannelswithnormalsurfaceroughness AT timoŝenkoav hydrodynamiccharacteristicsofflowintheannularmicrochannelswithnormalsurfaceroughness

Особливості гідродинаміки кільцевих мікроканалів з нормальною шорсткістю поверхні

Institution

Similar Items