Инжиниринговый центр


Новости

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ И ТЕПЛООБМЕНА В МЕЖРЕБЕРНОМ ЗАЗОРЕ ОРЕБРЕННОГО ЦИЛИНДРА

  • 21.05.2019

А.В. Павлов, В.В. Сероштанов, А.С. Власов, П.Г. Бобылев, В.В. Сучок

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

 

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ И ТЕПЛООБМЕНА В МЕЖРЕБЕРНОМ ЗАЗОРЕ ОРЕБРЕННОГО ЦИЛИНДРА

При большом разнообразии поперечно-оребренных поверхностей не существует уни- версального и приемлемо точного метода расчета коэффициента теплоотдачи от поверхности ребра, поскольку этот коэффициент зависит от множества геометрических параметров и фи- зических условий. Таким образом, экспериментальное исследование течения и теплообмена для оребренных элементов является актуальным.

Цель работы ¾ реализовать методику совместного использования градиентной тепло- метрии, PIV (Particle Image Velocimetry) и термометрии в экспериментальном исследовании теплообмена при обтекании круглого нагретого поперечно-оребрённого цилиндра. В про- должении ранее выполненных исследований [1, 2] изучены течение и теплообмен в межреберном зазоре на круглом цилиндре с кольцевыми ребрами; получено распределение коэф- фициентов теплоотдачи (КТО) по высоте ребра и азимутальному углу.

Градиентная теплометрия. На кафедре «Теплофизика энергетических установок» Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого в эксперименте широко применяются градиентные датчики теплового потока (ГДТП). Постоянная времени, которая составляет 10-9 …10-9 с, делает их практически безынерционным средством для изуче- ния большинства процессов теплообмена [3, 4]. Действие ГДТП основано на поперечном эффекте Зеебека: при прохождении теплового потока через пластину с анизотропией физи- ческих свойств в ней возникает термо-ЭДС, нормальная вектору теплового потока и пропорциональная его модулю [5]. В опытах используют три ГДТП, изготовленные из анизотропно- го монокристаллического висмута. Датчиков имели размеры 2 × 2× 0,2 мм; их вольт-ваттная чувствительность, определенная методом абсолютной градуировки, составила 10 мВ/Вт.

PIV диагностика. Технология PIV, реализованная системой POLIS [6], позволила визуализировать поток воздуха в межреберном зазоре неинвазимным методом. Поток засеивается трассерами, которые подсвечиваются лазерным лучом, преобразованным системой линз в лазерный нож. Цифровая фотокамера фиксирует изображение трассеров во время двойных вспышек. Все фотографии обработаны в программе ActualFlow, которая рассчитывает поля скорости. Метод PIV позволяет регистрировать мгновенные и усредненные по времени поля скорости в плоскости лазерного ножа в широком диапазоне скоростей.

Термометрия. Для измерения температур на поверхности ребра использована полу искусственная термопара (рис. 1). Исследуемое ребро выполнено из титанового сплава. Мед- ные провода приварены к ребру, симметрично относительно ГДТП. Для обеспечения перепада температур холодного и горячего спаев на ребре смонтирована игла из титанового сплава, конец которой отдален от нагретого цилиндра и помещен в поток.

Безымянный

Экспериментальной моделью стал оребренный цилиндр диаметром 66 мм и длиной 600 мм, выполненный из стального листа толщиной 0,1 мм. На цилиндре установлены 5 ребер высотой 20 мм. Одно ребро выполнено из титанового сплава ВТ-22 с теплопровод- ностью λ=9 Вт/(м·К), остальные – из оргстекла. Ребро из титанового сплава установлено в середине конструкции, для соблюдения симметричности условий.

Модель нагревалась насыщенным водяным паром, имеющим при атмосферном давлении, температуру, близкую к 100 °C. Цилиндр проворачивался вокруг оси, что позволяло пе- ремещать ГДТП в окружном направлении.

Эксперименты проводились в диапазоне чисел Re = w× d/ν = 0,9¼5×104 (где w ¾ скорость свободного потока, м/с; d — диаметр несущего цилиндра, м; ν — кинематическая вязкость воздуха, м2/с). Для различных величин межреберного зазора δ получены усредненные по времени поля скорости. Для тех же режимов измерена плотность теплового потока q и рас- считан КТО α. На рис. 2 представлены распределения КТО по поверхности ребра.

Безымянный

Рис. 2. Зависимость безразмерного коэффициента теплоотдачи от угла поворота при зазоре а) δ = 15 мм и б) δ = 5 мм

Из рис. 2, а и 2, б видно влияние межреберного зазора на характер распределения КТО. Так, при зазоре 15 мм распределение КТО неравномерно и имеет провал в области 120…160 °. Изменение КТО в зависимости от угла поворота φ выражены менее явно. Для зазора в 5 мм максимум КТО находится в лобовой точке, после чего монотонно убывает, что обусловлено загромождением потока и слабым течением внутри межреберного зазора.

Выводы. Проведенные исследования подтвердили применимость реализуемого методического подхода и работоспособность экспериментального оборудования. В дальнейшем планируется изучить течение и теплообмен для ровных поверхностей с более сложной кон- струкцией.

 

ЛИТЕРАТУРА:

  1. Mityakov, A. Babich, A. Bashkatov, et al., Investigating heat transfer augmentation using gradient heat flux measurement and PIV method, MATEC Web of Conferences, 2017, 3rd Siberian Thermophysical Seminar, STS 2017, 115 (10 July) (2017), No. 02006, 1–4.
  2. Mityakov, V. Mityakov, S. Sapozhnikov, et al., Hydrodynamics and heat transfer of yawed circular cylinder, Int. J. Heat Mass Transf. 115A (December) (2017) 333–339.
  3. S Z Sapozhnikov et al., Gradient heat flux measurement as monitoring method for the diesel engine, 2017 Phys.: Conf. Ser. 891 01209
  4. V Y Mityakov et al., Gradient heat flux measurement while researching of saturated water steam conden- sation, 2017 J. Phys.: Conf. Ser. 891 012128
  5. Сапожников С.З., Митяков В.Ю., Митяков А.В. Градиентные датчики теплового потока: Изд-во СПбГПУ, 2003. 168 с.
  6. «ПОЛИС» измеритель полей скорости [Электронный ресурс]/Институт теплофизики СО РАН, Новосибирск. — Режим доступа: http://www/itp.nsc.ru/piv/piv.htm.