авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |

«Министерство образования и науки Российской Федерации Казанский государственный технический университет им.А.Н.Туполева ...»

-- [ Страница 4 ] --

При исследовании критических явлений в пористых структурах при высоких тепловых нагрузках авторы [163] использовали теорию гидродина мической аналогии процессов кипения и барботажа в большом объеме, кана лах и трубах, разработанную в работах [114,115]. Опыты с барботажем по зволяют существенно упростить экспериментальную установку, максимально снизить энергозатраты, дают возможность независимо менять такие парамет Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах ры процесса, как плотность и молекулярная масса газа, вязкость, плотность и поверхностное натяжение жидкости, что невозможно в опытах с кипением;

значительно повышается безопасность экспериментов.

Рис.5.16. Распределение температуры в образце из ВПЯМ при течении вски пющего теплоносителя: точки – эксперимент на образце из ВПЯМ, П=0,97, dп=0,71 мм;

линии – расчет Нагреватель на рабочем уча стке заменяется в данном случае перфорированной пластиной, через которую осуществляется генерация газа в жидкий теплоноситель. Ско рость вдува газа имитировала теп ловой поток при кипении. Газосо держание определялось вблизи по верхности контакта образца и пер форированной пластины методом электрической проводимости. Из мерение газосодержания в гранич Рис.5.17. Зависимость основной гид- ном слое показало, что при барбо родинамической характеристики бар- таже газа в пористую структуру, ботажа (газосодержания) от скорости как и при кипении на гладкой по вдува газа и скорости фильтрации: верхности, существуют две стадии.

1 – wф=0,055 м/с;

2 – 0,096 м/с;

В первой стадии образуются пузы 3 – 0,138 м/с;

4 – 0,18 м/с;

5 – 0,22 ри, которые уносятся потоком без м/с;

6 – 0,27 м/с;

7 – 0,307 м/с;

заметного взаимодействия друг с 8 – 0,35 м/с другом, а газосодержание значи тельно изменяется с нагрузкой, т. е.

с увеличением скорости вдува газа;

газ выходит из образца в виде обособленных пузырей. Вторая стадия насы щения граничного слоя пористого образца газом представляет собой область интенсивного взаимодействия пузырей.

Газосодержание в этой области при увеличении нагрузки изменяется слабо. На выходе из пористой структуры газ вырывается в виде струй;

возни Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах кает пленочный режим. Эксперимен тальная гидродинамическая характе ристика барботажа = f ( w п ) пред ставлена на рис.5.17. С увеличением скорости фильтрации охладителя при неизменном вдуве газа область развитого пузырькового кипения значительно расширяется в сторону более высоких тепловых нагрузок.

В первом приближении были оценены уровни смоделированных Рис.5.18. Сравнение эксперимен критических тепловых потоков. При тальных результатов с данными сравнительно небольших скоростях [116]: 1 – данные [116];

2 – кипе движения теплоносителя wф=0,055– ние, данные [111];

3 – барботаж, 0,022 м/с и скоростях генерации га данные [111] зовой фазы wп=0,2–1,1 м/с они со ставили (1,53,2)Ч106 Вт/м2. На рис.5.18 представлено сравнение полученных данных по qкр с результатами [116] для различных случаев нагрева образцов однофазных и вскипающих жидкостей. Видно, что значения qкр, определенные на основе экспериментов с барботажем охладителя в пористых образцах, в среднем на 50–60% больше qкр, полученных непосредственно при кипении охладителя в пористых струк турах.

Теория гидродинамической аналогии не учитывает особенностей гео метрии, гидродинамики и теплообмена в капиллярно-пористых телах по сравнению с гладкими поверхностями, поэтому необходимо ее развитие применительно к пористым структурам.

Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах ГЛАВА 6. СПОСОБЫ СНИЖЕНИЯ ГИДРОСОПРОТИВЛЕНИЯ ТЕПЛООБМЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С ПОРИСТЫМИ СРЕДАМИ Как уже указывалось, перспективным и эффективным способом интен сификации теплообменных процессов является использование в теплооб менных устройствах пористых проницаемых материалов. Теплообмен между пористым материалом и протекающим сквозь него теплоносителем вследст вие очень развитой поверхности их контакта характеризуется чрезвычайно высокой интенсивностью. Интенсификация теплообмен в каналах с порис тыми вставками достигает 3–100 раз. Однако пористые вставки резко увели чивают гидравлическое сопротивление.

Поэтому одним из направлений исследований является поиск опти мального способа применения пористых интенсифицирующих материалов, обеспечивающих максимальный уровень теплообмена при достаточно низ ком уровне гидравлического сопротивления.

Обзор патентной и научно-технической литературы показал, что для уменьшения потерь давления в каналах с пористыми вставками применяются следующие способы:

– использование пористых вставок с переменной пористостью или удель ной поверхностью (а.с. СССР № 731263, 1980;

№ 1366849, 1988;

№ 1366850, 1988;

патент ФРГ № 2127408, 1989 и др.);

Порошковый поро- Двухслойный по Порошковый поро- Двухслойный по материал с плавно диаметру частиц материал с плавным диаметру пор и по изменяющимися порошковый поро- изменением диамет- ристости порошко размерами частиц материал ра пор и пористости вый пороматериал Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах – дискретная установка пористых вставок и межканальное движение теп лоносителя (а.с. СССР № 676844, 1979;

№ 1486735, 1989;

работы В.М.Поляева и др.);

– уменьшение сопротивления пористых вставок за счёт наличия в них от верстий различных форм и расположений (работы К.Вафаи, Ф.В.Пелевина и др.);

– использование пористых вставок в качестве поверхностных слоёв (а.с.

СССР № 676844, 1979;

патент ФРГ № 2127408, 1989;

№ 2900430, 1980 и др.).

На сегодняшний день изучен лишь небольшой класс из перечисленных способов уменьшения гидравлического сопротивления в каналах с пористы ми вставками. Наиболее полно проведены исследования при межканальном движении теплоносителя. Имеются результаты численных исследований и первых опытов по уменьшению сопротивления пористых вставок за счёт на личия в них отверстий различных форм и использованию пористых вставок в качестве поверхностных слоёв.

6.1. Гидродинамика и теплоотдача в каналах при межканальной транспирации теплоносителя в пористых структурах Один из перспективных и эффективных методов интенсификации те плообмена заключается в использовании пористых металлов (ПМ) в тепло обменных устройствах. Но хотя заполнение теплообменного тракта порис тым высокотеплопроводным металлом с малым термическим сопротивле нием между стенкой и пористым металлом максимально интенсифицирует теплообмен, наблюдается резкое увеличение гидравлического сопротивле ния, что сдерживает применение этого метода.

Уменьшить потери давления в системе охлаждения, не изменяя габа ритных размеров теплообменного тракта, можно, если перейти от общеиз вестного продольно-канального к межканальному (продольно-поперечному) движению теплоносителя через ПМ.

Принцип межканальной транспирации теплоносителя впервые позво лил создать высокоэффективный пористый теплообменный тракт с большей эффективностью теплообмена, чем у лучших оребренных трактов. Данному исследованию посвящены работы В.М.Поляева и Ф.В.Пелевина [118–122].

Тракт с межканальной транспирацией теплоносителя (МКТТ) сочета ет в себе высокую теплоотдачу, свойственную ПМ, и низкие потери давле ния.

Из анализа модифицированного уравнения Дарси:

dP = µ ж w 0 + ж w 0 dх можно сделать следующие выводы:

Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах 1) чтобы снизить потери давления в пористом тракте, надо сократить путь движения теплоносителя через ПМ и уменьшить вязкостный и инерци онный коэффициенты сопротивления пористой среды и ;

2) увеличение скорости движения w через ПМ (т.е. увеличение тепло обмена) при заданных потерях давления также может быть достигнуто уменьшением пути движения и коэффициентов сопротивления ПМ.

Уменьшить путь движения теплоносителя через ПМ, не изменяя габа ритных размеров теплообменного тракта L, можно, если перейти от обще известного продольно-канального к межканальному движению теплоноси теля через ПМ. Необходимо отметить, что данный способ может быть ис пользован в высокоэффективных рекуперативных теплообменных аппара тах различного назначения, для охлаждения зеркал лазеров и лопаток газо турбинных двигателей, системах охлаждения жидкостных ракетных двига телей.

На рис.6.1 показана схема межканальной транспирации те плоносителя. В пористом метал ле (4) выполняют продольно расположенные подводящие (2) и отводящие (5) теплоноситель каналы. Торцы каналов непро ницаемые. Теплоноситель из коллектора (1) попадает в под водящие каналы (2) и под дейст Рис.6.1. Тракт с межканальной транс- вием перепад давления движет пирацией теплоносителя: 1 – коллек- ся через пористый металл (4) в тор;

2 – подводящий канал;

3 – торце- два соседних отводящих канала вые стенки;

4 – пороматериал;

5 – от- (5). Из отводящих каналов теп водящий канал;

6 – коллектор;

7 – лоноситель поступает в коллек внутренняя стенка;

8 – внешняя стенка тор (6).

Подводящие и отводящие каналы чередуются. Изменяя число каналов, можно добиться требуемых ско ростей фильтрации теплоносителя, не увеличивая толщину пористой вставки.

Расстояние между подводящими и отводящими каналами может быть соиз меримо с толщиной пористого металла (3–5 мм), что приведет к снижению затраты мощности на прокачку теплоносителя.

Можно предложить два варианта конструктивного выполнения тепло обменного тракта. В первом варианте подводящие и отводящие каналы рас полагаются в наружной оболочке тракта (8). Во втором – каналы выполняют ся непосредственно в пористом металле, но при этом боковые поверхности каналов непроницаемы для теплоносителя. По второму варианту проще вы полнять каналы на сложных поверхностях (например, при охлаждении сопла Лаваля).

Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах Теплообменный тракт с межканальной транспирацией теплоносителя особенно эффективен при большой протяженности зоны охлаждения, т.е. в области, где кольцевой тракт с пористым наполнителем и продольным тече нием охладителя становится малоэффективным. При одинаковых числах Re и Pr увеличение среднего безразмерного коэффициента теплоотдачи составит Nu МКТТ / Nu ПК = (L - l) 0, 4, где NuМКТТ – число Нуссельта при межканальной траспирации в пористом теле;

NuПК– число Нуссельта в пустом гладком ка нале;

L - продольный размер теплообменного тракта;

l – путь фильтрации те плоносителя через пористый металл при межканальной фильтрации.

Важным преимуществом тракта с межканальной фильтрацией является то, что площадь проходного сечения тракта возрастает не за счет увеличения его поперечных габаритов, а за счет большого числа подводящих и отводя щих каналов N. Площадь проходного сечения тракта равна FПР = NL, где – толщина пористой вставки. Для достижения максимальной скорости дви жения теплоносителя приходится уменьшать толщину пористой вставки, предельное значение которой зачастую определяется технологией изготовле ния аппарата.

Интенсифицировать теплоотдачу в тракте с пористым наполнителем, не увеличивая скорость фильтрации теплоносителя, можно также за счет применения более теплопроводного пористого материала.

Если из конструктивных или технологических соображений замена ма териала пористого наполнителя на более теплопроводный невозможна, то необходимо применять пористый металл с такой структурой, чтобы тепло проводность в направлении теплового потока увеличилась.

Для эффективной работы теплообменного тракта пористый наполни тель должен обладать следующими свойствами:

– минимальным гидравлическим сопротивлением в направлении дви жения теплоносителя для достижения максимальной скорости фильтрации теплоносителя;

– высокой теплопроводностью в направлении теплового потока;

– высокими механическими свойствами: удельной прочностью, необ ходимой для изготовления тонкостенных (1–3 мм) протяженных осесиммет ричных оболочек, способностью выдерживать ударные нагрузки, термостой костью;

– равномерной стабильной проницаемостью;

– технологичностью.

Этим требованиям отвечают пористые сетчатые материалы.

Установлено, что с уменьшением относительного пути движения теп лоносителя через пористый сетчатый материал теплоотдача увеличивается.

Уменьшение относительного пути движения l / с 11,3 до 2,8 увеличило среднюю теплоотдачу примерно в 2,4 раза при прочих равных условиях.

В расчетах увеличение теплоотдачи с уменьшением отношения l / учитывается введением поправочного коэффициента l. Коэффициент l вычисляется по формуле:

Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах l = 0,5945 + 4,279( / l) + 3,86( / l) 2 4,995( / l)3, справедливой в диапазоне толщин пористого наполнителя = 2 5,6 мм и расстояний между каналами l = 7,97 33,77 мм.

В работах [118–122] исследовано также влияние коэффициентов теп лопроводности пористого сетчатого материала и теплоносителя на теплоот дачу в тракте, заполненном пористым материалом. С увеличением коэффи циента теплопроводности материала (проволоки, сетки, пороматериала) теп лоотдача возрастает. Так, в результате замены нержавеющей сетки П60 на никелевую С600/2200 теплоотдача в тракте увеличилась на 20%. Использо вание медной сетки с квадратной ячейкой еще больше инициирует теплоот дачу. Увеличение теплоотдачи будет более высоким, если замена материала не сопровождается изменением структуры пористого сетчатого материала.

Использование медного ВПЯМ с П=0,751 в трактах с межканальной транс пирацией не дает высоких результатов. Теплоотдача оказывается сравни тельно невысокой. Это связано с низким эффективным коэффициентом теп лопроводности ВПЯМ.

Влияние коэффи циента теплопроводно сти теплоносителя на те плоотдачу в расчетных формулах в работе [122] учитывалось с помощью числа Pr, а влияние ко эффициента теплопро водности материала сет ки на теплоотдачу с Рис.6.2. Критериальная зависимость по тепло- помощью коэффициента обмену в трактах с межканальной транспира- ) 0, 4, где = ( цией теплоносителя 12 Х18Н10Т 12 Х18Н10Т – теплопро водность нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т, взятая в качестве параметра отнесения.

Обобщающее критериальное уравнение для эффективной теплоотдачи от греющей поверхности в тракте с межканальной транспирацей теплоноси теля в диапазоне изменения Re = 20...2.10 4, Pr = 0,7...7, П = 0,2...0,61, l/ = 1,4...11,3 имеет вид (рис.6.2) [122]:

St = 0,57 Re 0, 2 Pr 0,7 I.

Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах Интенсификация теплообмена увеличивается с повышением коэффи циента теплопроводности пористого материала и с уменьшением l /. По сравнению с каналом без пористого наполнителя увеличение теплообмена в трактах с межканальной транспирацией теплоносителя достигает шестидеся ти раз для пористого сетчатого материала из нержавеющих стальных сеток.

Интенсификация теплоотдачи еще выше для медного пористого материала.

При турбулентном режиме движения ( Re = 10 4, Pr = 0,71 ) в трактах с медным пористым сетчатым материалом интенсификация теплообмена достигает двухсот раз, что позволяет рекомендовать этот тракт для использования в высокоэффективных системах тепловой защиты.

На рис.6.3 показаны зависимости показателя теплогидравлической эф фективности теплообмена (St / St ГЛ )3 ( ГЛ / ) от числа Рейнольдса для раз личных значений пористости наполнителя при использовании пористого сетчатого материала из нержавеющей и медной сеток и отношении l / = 1,42...2,8, где 1 – медный пористый сетчатый материал;

2 – пористый сетчатый материал из сетки П24 (l / = 1,56;

П = 0,345 );

3 –пористый сетча тый материал из сетки П60 (l / = 1,42;

П = 0,368);

4,5,6 – пористый сетчатый материал из сетки П60 l / = 2,4;

П=0,48;

0,37;

0,22 соответствен но).

Как видно из рис.6.3, тепло вая эффективность тракта при турбулентном режиме возрастает 15-кратно при использовании по роматериала из нержавеющей сет ки П60 с П=0,48 и отношением l / = 2,8 и 60-кратно при медном пористом сетчатом материале.

Эффективность пористого тракта возрастает с увеличением числа Рис.6.3. Эффективность теплообмена в Рейнольдса, пористости сетчатого трактах с межканальной транспира материала, а также с уменьшени цией теплоносителя ем относительного пути движения теплоносителя. Использование в трактах сетчатого материала с малой пористостью (большим гидравлическим сопротивлением) снижает эффективность теплообмена. Высокая эффектив ность тракта с пористой вставкой из сетчатого материала и межканальной фильтрацией охладителя позволяет рекомендовать его для использования в системах тепловой защиты высокотеплонапряженных конструкций и в высо коэффективных теплообменных аппаратах.

В работах [123–125] проведены экспериментальные исследования воз можности уменьшения гидросопротивления при сохранении высокого уров ня теплоотдачи в трактах с пористыми вставками из ВПЯМ. Исследования Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах проводились в каналах с пористыми вставками из ВПЯМ пористостью П = 0,8...0,96 и диаметром пор dп = 0,8...4 мм, имеющими тупиковые отверстия на пути теплоносителя. Скорость потока в эксперименте варьировалась от до 40 м/с.

Проведены исследования гидроди намики потока с целью выяснения пути течения теплоносителя, а также определе ния долей теплоносителя идущего по по ристой вставке и по каналам в ней. Иссле довалось несколько вариантов организа ции каналов. Исследования проводились с Рис.6.4. Схема канала с помощью термоанемометра постоянной с температуры. В ходе экспериментов изме пористыми вставками глухими отверстиями (размеры рялись уровни местной скорости, пуль саций скорости потока и степень турбу в мм) лентности потока при прохождении через пористую вставку.

Схема канала с пористыми вставками с местоположением датчика при исследовании влияния глухих каналов в теле пористых вставок рассмотрена на рис.6.4. В опытах изменялась длина пористого покрытия z, толщина пере мычки x и высота пористого покрытия у. Результаты исследования течения в канале с таким расположением пористого образца представлены на рис.6.5– 6.7.

30 Пористость 0,92, диаметр пор 2,5 мм Пористость 0,92, диаметр пор 2,5 мм расстояние 3 мм, длина 18 мм расстояние 3 мм, длина 18 мм ширина 3 мм высота 5 мм ширина 10 мм высота 5 мм Осредненная скорость, м/с Осредненная скорость, м/с высота 10 мм высота 14 мм высота 9 мм высота 14 мм 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Координата, мм Координата, мм Рис.6.5. Картина течения по высоте Рис.6.6. Картина течения по высоте канала с пористой вставкой П=0,93 и канала с пористой вставкой П=0,93 и dп=2,5 мм при наличии глухого от- dп=2,5 мм при наличии глухого от верстия. Высота слоя – y=510 мм, верстия. Высота слоя – у=510 мм, длина слоя z=18 мм, толщина пере- длина слоя z=18 мм, толщина пере мычки – x=3 мм. Обозначения на мычки – x=10 мм. Обозначения на рис.6.4 рис.6. Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах 7, 5, Пористость 0,92, диаметр пор 2,5 мм Пористость 0,92, диаметр пор 2,5 мм 6, 4,5 расстояние 3 мм, длина 18 мм расстояние 3 мм, длина 18 мм 6, ширина 10 мм высота 5 мм ширина 3 мм высота 5 мм Среднеквадратичные пульсации Среднеквадратичные пульсации 4,0 5, высота 9 мм высота 14 мм высота 10 мм высота 14 мм 5, 3, 4, 3, скорости, м/с скорости, м/с 4, 3, 2, 3, 2, 2, 1,5 2, 1, 1, 1, 0,5 0, 0 2 4 6 8 10 12 14 16 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Координата, мм Координата, мм Пористость 0,92, диаметр пор 2,5 мм Пористость 0,92, диаметр пор 2,5 мм расстояние 3 мм, длина 18 мм расстояние 3 мм, длина 18 мм ширина 10 мм высота 5 мм ширина 3 мм высота 5 мм Степень турбулентности, % Степень турбулентности, % высота 10 мм высота 14 мм высота 9 мм высота 14 мм 0 2 4 6 8 10 12 14 16 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Координата, мм Координата, мм Рис.6.5 (продолжение) Рис.6.6 (продолжение) 7, Пористость 0,874, диаметр пор 0,93 мм, Пористость 0,874, диаметр пор 0,93 мм, 6, 20 расстояние 3 мм, высота покрытия 10 мм расстояние 3 мм, высота покрытия 10 мм 6,0 длина покрытия 30 мм, длина вставки 20 мм длина покрытия 30 мм, длина вставки 20 мм Среднеквадратичные пульсации длина покрытия 40 мм, длина вставки 10 мм Осредненная скорость, м/с длина покрытия 40 мм, длина вставки 10 мм 5, 5, 14 4, скорости, м/с 4, 3, 3, 2, 2, 4 1, 1, 0 2 4 6 8 10 12 14 16 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Координата, мм Координата, мм Пористость 0,874, диаметр пор 0,93 мм, расстояние 3 мм, высота покрытия 10 мм 60 длина покрытия 30 мм, длина вставки 20 мм Степень турбулентности, % длина покрытия 40 мм, длина вставки 10 мм Рис.6.7. Картина течения по высоте канала с пористой вставкой П=0,87 и dп=0,93 мм при наличии глухого отвер стия. Высота слоя – y=10 мм, длина слоя z=3040 мм, толщина перемычки – 0 2 4 6 8 10 12 14 16 x=1020 мм Координата, мм Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах Полученные результаты свидетельствуют, что ни длина покрытия, ни толщина поперечной перемычки не оказывают никакого видимого влияния на картину течения за пористой вставкой сложной конфигурации. Картина течения показана схематично на рис.6.8а. Это говорит о том, что для обеспе чения более сложного течения, характерного для межканальной транспира ции необходимо не только устанавливать пористую перемычку, но и непро ницаемую пластину (рис.6.8б).

а Рис.6.9. Канал с пористыми б вставками при частичной Рис.6.8. Картина течения при прони- межканальной транспирации цаемой (а) и непроницаемой (б) пере- (размеры пористых вставок и расположения датчика городках.

термоанемометра даны в мм) 3, Пористость 0,92, диаметр пор 2,5 мм расстояние 3 мм 2, Среднеквадратичные пульсации Осреднненая скорость, м/с 2, скорости, м/с 1, 1, 0, Пористость 0,92, диаметр пор 2,5 мм расстояние 3 мм 0 0, 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Координата, мм Координата, мм Пористость 0,92, диаметр пор 2,5 мм расстояние 3 мм Степень турбулентности, % Рис.6.10. Картина течения по высоте канала с пористой вставкой П=0,92 и dп=2,5 мм при наличии частичной межканальной транспирации 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Координата, мм Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах Течение, характерное для частичной межканальной транспирации, мо жет быть достигнуто при установке пористой вставки в виде зигзага, как по казано на рис.6.9. Картина течения, соответствующая данному расположе нию пористой вставки, представлена на рис.6.10 и пояснена на рис.6.11.

Кроме картины течения, экспериментально исследова лись теплоотдача и гидросо противление для случая час тичной межканальной транс пирации. В данном случае теп Рис.6.11. Картина течения теплоносите- лоноситель должен двигаться ля при частичной межканальной транс- не вдоль оси канала, в котором пирации установлена пористая вставка, а поперек или под некоторым углом, сокращая тем самым длину пути и как следствие – потери давления в канале. Это возможно путем организации в теле пористой вставки смежных пустот, позволяющих тепло носителю перетекать из одной в другую поперек канала. Схема исследован ных вставок в данной работе приведена на рис.6.12.

Параметр Значение 25,6 мм D 20,0 мм L 12,0 мм h 6,0 мм d 5,0 мм l Рис.6.12. Характеристики исследованных пористых вставок из ВПЯМ В теплогидравлических опытах из вставок, показанных на рис.6.12, набирался целый пакет вставок общей длиной от 140 до 300 мм. Схема течения в канале с пакетом пористых вставок с час тичной межканальной транспира цией показана на рис.6.13.

Рис.6.13. Характерное течение в кана- Как показывает сравнитель ле с набором пористых вставок из ный анализ, средняя эффективная ВПЯМ с глухими отверстиями теплоотдача (Nu) в канале с по ристыми вставками с глухими от верстиями (частичной межканальной транспирацией, рис.6.14) по отноше нию к каналам со сплошными вставками (Nu0) не уменьшается во всем ис Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах следованном диапазоне конструктивных и режимных определяющих пара метров.

При этом наблю дается резкое уменьше 2, ние гидравлического со 1, противления в каналах с 1, данными вставками 1, сложной формы 1, (рис.6.15. и табл.6.1).

Nu/Nu 1, Гидравлическое сопро 0, тивление канала с порис 0, тыми вставками умень 0,4 шается от 2 до 3 раз. На 0, 0, блюдается зависимость 4 4 4 4 1,0x10 1,5x10 2,0x10 2,5x10 3,0x уменьшения потерь дав Re ления от пористости П, например, при пористо сти 0,954 отношение Рис.6.14. Относительная теплоотдача в канале p / p 0 = 0,50, при с пористыми вставками с глухими отверстия ми. Линия – сплошная вставка из ВПЯМ;

точ- 0,899 – 0,47, а при 0, ки – вставка из ВПЯМ с глухими отверстиями: – 0,31 ( р 0 – потери 1 – П = 0,944, dп = 4,0 мм;

2 – П = 0,944, dп = давления в канале со 2,7 мм;

3 – П = 0,944, dп = 0,8 мм;

4 – П = сплошной вставкой).

0,899, dп = 4,0 мм;

5 – П = 0,855, dп = 4,0 мм Так как в опытах не изменялись размеры каналов для перетекания теплоносителя, взаиморасположение отверстий и другие конструктивные па раметры, то обобщения экспериментальных данных по гидравлическому со противлению не проводились. Полученные данные носят рекомендательный характер.

Таблица 6. Результаты гидравлических опытов на вставках из ВПЯМ Р/L, Па/м Параметры ВПЯМ Давление Расход потока на воздуха, П dп, мм Вставки с Сплошные. - входе во кг/с 10 отверстия- вставки вставку, ми Па 0,944 4,0 353000 8,9 17097,22 30534, 6,6 10013,89 17604, 6 8041,667 14236, 4,9 5312,5 8798, Продолжение табл.6. Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах Р/L, Па/м Параметры ВПЯМ Давление Расход потока на воздуха, П dп, мм Вставки с Сплошные кг/с.10- входе во отверстия- вставки вставку, ми Па 2,7 353000 8,7 23638,89 46180, 6,55 13625 26513, 5,9 11034,72 21840, 5 6881,944 16513, 0,8 8,6 45027,78 88666, 6,45 26638,89 53243, 5,8 21729,17 43784, 4,6 13694,44 27708, 0,899 4,0 8,8 24187,5 51395, 6,8 14305,56 29881, 6,11 11173,61 24013, 4,85 6743,056 14666, 0,854 4,0 8,6 41145,83 128763, 6,8 23708,33 79861, 6 19486,11 62590, 4,8 11923,61 38986, 2, 1, 1,6 1, 1, P/P 1, 0, 0, 0, 0, 0, 4 5 6 7 8. - G 10, кг/с Рис.6.15. Относительные гидравлические потери в канале с пористыми встав ками с глухими отверстиями. Линия – сплошная вставка из ВПЯМ;

точки – вставка из ВПЯМ с глухими отверстиями: 1 – П=0,944, dп=4,0 мм;

2 – П=0,944, dп=2,7 мм;

3 – П=0,944, dп=0,8 мм;

4 – П=0,899, dп=4,0 мм;

5 – П=0,855, dп=4,0 мм 6.2. Гидродинамика и теплообмен в каналах с пористыми слоями Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах и пористыми вставками со сквозными отверстиями Одним из направлений исследований гидродинамики и теплообмена в каналах с пористыми вставками является изучение процессов переноса при наличии пористых слоев или пористых вставок с различными полостями или сквозными отверстиями в теле пористой структуры.

В работах [126–129] исследовались течение жидкости и теплоотдача на границе раздела между жидкостью и пористым слоем при различных гранич ных условиях. Были получены аналитические и численные решения для рас сматриваемого случая для распределения скоростей и температур. Результа ты аналитических и численных решений хорошо согласуются с эмпириче скими данными.

Более полно об исследованиях теплообмена и течения в каналах с по ристыми вставками при наличии в их теле пустот различной конфигурации и как предельный случай – рассмотрение теплообмена и течения на границе «пористый слой – жидкость» в канале с пористым слоем, изложено в работах [130,131].

В работе [132] рассматривается увеличение теплосъема от теплогене рирующих блоков за счет установки между ними пористых вставок. На по верхности дистанционно установлены теплогенерирующие выступы, между которыми расположены пористые вставки. В исследованиях варьируются па раметры пористых вставок и их относительная высота по отношению к теп логенерирующим выступам. По мнению авторов, интенсификация теплооб мена на таких поверхностях достигается за счет теплопроводности материала и интенсивного съема тепла с них за счет теплоотдачи.

В работах [123–125,133] проведен ряд экспериментов по исследованию теплогидравлической эффективности каналов с пористыми вставками со сквозными отверстиями в матрице и как предельный случай – в канале с по ристым слоем. В целях уменьшения гидравлического сопротивления при со хранении высокого уровня теплоотдачи использовались сверления, выпол ненные в зоне наименьшей тепловой эффективности каркаса пористой встав ки, т.е. вблизи оси канала (рис.6.16).

d D D d dD L а б Рис.6.16. Схемы установок пористых вставок в каналах: а – пористое покрытие;

б – пористая вставка с отверстиями Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах В исследованиях использовались пористые вставки из ВПЯМ пористо стью П=0,8…0,93, диаметром пор d n = 0,8...4 мм, диаметром и длиной D = 25,6 мм, L = 140…300 мм. В экспериментах реализовались режимы теп лообмена с постоянной температурой стенки канала Tw = const. Диаметр сверлений составлял d=10 мм, при поверхностном слое – до 20 мм. Схемы исследованных вставок показаны на рис.6.16.

На рис.6.17 и 6. приведены данные по гид равлическому сопротивле нию и теплообмену в кана лах, снабженных вставками со сверлениями.

Эксперименты пока зали, что использование сверлений позволяет сни зить гидросопротивление до 33 раз при уменьшении ко эффициента теплоотдачи Рис.6.17. Относительные гидравлические по- всего на 12–96% по сравне тери в каналах, снабженных пористыми нию с каналами с пористы вставками со сверлениями ми вставками, полностью перекрывающими попереч ное сечение канала.

Анализ полученных результатов (рис.6.17) показывает, что уменьше ние гидравлического сопротивления p o p ( p o и p – сопротивление ка налов со сплошными и несплошными вставками соответственно) зависит от пористости П и относительной площади поперечного сечения пустот F = Fсв / F, ( Fcв суммарная площадь поперечного сечения отверстий, F – площадь поперечного сечения канала) и не зависит от диаметра пор d n и ре жима течения.

На основе анализа экспериментальных данных получена зависимость для расчета гидропотерь в каналах со вставками из ВПЯМ со сверлениями:

p o = 1 + 586,5 F1,38 (1 П). (6.1) p Для описания средней эффективной теплоотдачи предлагается ис пользовать критериальные уравнения (4.40) и (4.42) с введением поправки.

Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах Рис.6.18. Теплоотдача в каналах с пористыми вставками: линия – сплошная пористая вставка;

точки – вставки со сверлениями Поправка на изменение условий теплоотдачи в канале со вставками из ВПЯМ учитывает изменение механизмов переноса в связи с изменением картины течения в каналах с поверхностными пористыми слоями. В качест ве поправки предлагается использовать вместо обычного значения пористо сти П (начального, полученного при формировании пористого материала) модифицированное значение пористости Пм, которое определяется с учетом дополнительных пустот в теле пористого материала (за счет сверлений и т.д.):

Vп П м = П + (1 + П ), (6.2) V где Vп – объем пустот за счет сверлений и прочих дополнительных пустот в теле пористой структуры, кроме пор;

V – объем канала с пористой структу рой (равен произведению площади поперечного сечения на длину канала с пористой вставкой).

Введение такой поправки, например, в уравнение (4.40) позволяет опи сать этим уравнением все экспериментальные данные для каналов с порис тыми вставками со сверлениями и с пористыми слоями, представленными на рис.6.18, с точностью до ±20%.

Проведенные исследования по уменьшению гидравлического сопро тивления в каналах со вставками из ВПЯМ при сохранении высокого уровня теплоотдачи посредством использования вместо цельнокаркасных вставок поверхностных слоев показали высокую теплогидравлическую эффектив ность данного метода использования пористых материалов.

Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах 6.3. Течение в каналах с дискретной установкой пористых мембран Физический смысл интенсификации теплообмена в каналах с дискрет но установленными пористыми вставками заключается в поддержании высо кой степени турбулентности за пористыми вставками (рис.6.19), т.е. порис тые вставки устанавливаются на определенном расстоянии, на котором сте пень турбулентности потока достаточно высока, за счет чего поддерживает ся высокий уровень теплоотдачи.

Рис.6.19. Схемы дискретной установки пористых вставок в каналах Пористые вставки ограниченной длины могут рассматриваться и как простые турбулизаторы потока, подобно перфорированным пластинам или наборам сеток.

Опубликовано достаточно большое количество экспериментальных ра бот по исследованию вырождения турбулентности за решетками и плетены ми сетками с квадратными ячейками, например, работы Х.Л.Драйдена, Г.К.Батчелора и А.А.Таунседа, Х.Л.Гранта, Г.Комте–Бело, В.А. Лебига и В.В.Черных, Дж.Т.Атичата, Р.Дж.Лоэрке, Э.Я.Эпик и др. В частности, в ра боте [134] дан обзор работ по исследованию турбулентности за решетками и плетеными сетками из стержней с круговыми сечениями и приведены под робные экспериментальные результаты, уточняющие имеющиеся данные по этому вопросу. Обзор теоретических и экспериментальных исследований вы Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах рождения однородной и изотропной турбулентности содержится в работе [135]. В меньшем количестве работ исследовано вырождение турбулентности за перфорированными диафрагмами [136–140]. Кроме того, в абсолютном большинстве работ, посвященных вырождению турбулентности, содержатся данные о полях интенсивности пульсаций лишь продольной компоненты скорости. Вместе с тем при количественной оценке влияния турбулентности внешнего потока на сопротивление и теплообмен число параметров, связан ных с турбулентными характеристиками и вводимых в критериальные зави симости, должно быть несколько больше. В частности, в работах [141,142] показано влияние не только интенсивности внешних пульсаций, но и отно шения масштаба турбулентности во внешнем потоке к толщине погранично го слоя на характеристики турбулентного пограничного слоя. Это обстоя тельство делает актуальным изучение характеристик искусственной турбу лентности и методов их направленного изменения.

В качестве турбулизаторов могут быть использованы сетки из проволо ки, стальные ленты разной толщины и ширины, перегородки из параллель ных стержней, решетки из цилиндров или стержней с квадратными отвер стиями, перфорированные перегородки, шайбы различных диаметров и с различным числом отверстий.

В работе [143] приведены результаты экспериментального исследова ния вырождения продольных и поперечных пульсаций скорости, указано распределение масштабов турбулентности в потоке за диафрагмами, перфо рированными круглыми гексагонально расположенными отверстиями, и двухплоскостными решетками с квадратными ячейками, образованными прутками с квадратным поперечным сечением (рис.6.20).

Рис.6.20. Диафрагмы, перфорированные круглыми гексагонально располо женными отверстиями, и двухплоскостные решетки с квадратными ячейка ми, образованными прутками с квадратным поперечным сечением [143] Исследования пульсаций скорости в работе проводилось по трем осям координат, которым соответствуют компоненты скорости w, u, v и интен Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах ( ) /w 1/ сивности продольных пульсаций Tu x = w 2 и поперечных потоку () = (v ) / w.

1/ 1/ пульсаций Tu y = u 2 / w и Tu z Для уменьшения интенсивности пульсаций потока в рабочей части трубы в работе [143] перед ее входным соплом устанавливался детурбулиза тор. выполненный в виде полусферических 12-сегментных каркасов, обтяну тых мелкоячеистой сеткой. Детурбулизатор такой конструкции обеспечивал равномерный поперечный профиль интенсивности продольных пульсаций потока во входном сечении рабочей части трубы, при этом Tu x 0,15%.

Вторая серия экспериментов в работе [143] была проведена в малотур булентной аэродинамической трубе замкнутого типа При испытаниях ско рость потока варьировалась в диапазоне w = 8–32 м/с, пульсации скорости потока в данной трубе без решеток составляли Tu x 0,02–0,04%.

В сериях испытаний были проведены исследования с диафрагмами и решетками. Диафрагмы представляли собой круглые диски диаметром 596 мм и толщиной 5 мм, перфорированные гексагонально расположенными круглыми отверстиями. Двухплоскостные решетки имели квадратные ячей ки, образованные стержнями с квадратными поперечными сечениями (см.

рис.6.20). Геометрические параметры диафрагм: расстояние между центрами отверстий m=32,8–80,5 мм;

диаметр отверстий перфорации d=26–58 мм;

ре шеток: толщина стержней h=11,5–62 мм;

расстояние между центрами отвер стий m=40–190 мм. Фактический коэффициент заполнения (отношение пло щади диафрагм или решеток в свету к общей площади турбулизатора) со ставлял s=0,16–0,65.

В работе [143] была получена эмпирическая зависимость затухания турбулентности за решетками и плетеными сетками в зависимости от основ ных праметров турбулизторов s и m. В целом было установлено, что интен сивность продольных и поперечных пульсаций скорости при изотропном на бегающем потоке (после детурбузатора) за диафрагмами на 30% выше (при одинаковых х/m, где х – продольная координата), чем за решетками. В случае сильно анизотропного набегающего потока величина продольных пульсаций немного уменьшается (на 10–25%) по сравнению с Tu x при изотропном на бегающем потоке. В этом случае продольные пульсации скорости потока меньше поперечных на 20–40%. Таким образом, полученные результаты по казывают, что, изменяя степень анизотропии набегающего потока, можно управлять отношением компонент пульсаций его скорости за турбулизи рующими устройствами рассматриваемого типа.

Исследованию уровней и затуханию турбулентности за перфорирован ными мембранами посвящена работа [144].

Применение перфорированных диафрагм и сеток позволяет повысить уровень турбулентности потока сразу за турбулизатором до 4–40% [144]. При этом установка турбулизатора «выравнивает» скорость потока по сечению канала. Необходимо помнить, что при достаточно высоком уровне турбу Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах лентности потока использование сеток с малыми размерами отверстий при водит к уменьшению турбулентности за ними и выравниванию профиля ско рости.

Обобщение зависимости интенсивности продольных пульсаций () 1/ Tu x = w 2 / w на входе в плоский канал при установке турбулизаторов получено в следующем виде:

при 2,5 103 Re H 10 4 :

0,9 0, х удл fж = Н (6.3) ;

Tu х 0 f п при 10 4 Re H 7 10 4 :

0,9 0, х удл fж Tu х 0 = 698,5 Re 0, 28 (6.4), f Н H п где H – высота канала;

fж и fп – площади живого сечения турбулизатора и площадь полного сечения канала;

худл – расстояние от входа в канал до тур булизатора.

Зависимости (6.3) и (6.4) рекомендованы для следующего диапазона определяющих параметров:

Re H = 2,5 103 7 10 4 ;

х удл / Н = 1,75 7;

f ж / f п = 0,104 0,185.

При интерпретации опытных данных по местной теплоотдаче и сопро тивлению трения большое значение имеет информация об изменении профи лей скорости и степени турбулентности по длине канала. На рис.6.21 показа ны профили скорости и степень турбулентности за перфорированными дис ками при различном удалении от турбулизатора [144].

Все экспериментальные данные по затуханию турбулентности в [144] были описаны единой зависимостью:

n х + Tu х 0 Tu х = Tu х 0 l (6.5), Tu х 0 где l=Н – для плоского канала и l=D – для канала круглого сечения;

Tu х 0 – начальная степень турбулентности сразу за турбулизатором;

х – продольная координата.

Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах а б Рис.6.21. Профиль скорости и степень турбулентности за перфорированными дисками при различных отношения х/m: а – диаметр диска D=180 мм, диа метр отверстий d=30 мм, шаг отверстий m=40 мм, расположение – треуголь ное;

б – диаметр диска D=180 мм, диаметр отверстий d=16 мм, шаг отверстий m=25 мм, расположение – треугольное;

– Tu x ;

– w;

1 – х/m=0,75;

2 – 1,5;

3 – 2,5;

4 – 4,5;

5 – 0,4;

6 – 1,2;

7 – 2,4;

8 – 4,8;

9 – 9, Показатель n определяется по следующим рекомендациям:

для плоского канала при 5% Tu х 0 35%:

n=3,71·10–3 Tu х 0 1,41;

для плоского канала при 35% Tu х 0 80%:

n=0,113 Tu х 0 0,45;

для круглого канала при 7% Tu х 0 42%:

n=0,105 Tu х 0 0,53.

Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах Влияние степени турбулентности внешнего потока на теплообмен в по граничном слое обусловлено проникновением внешних возмущений непо средственно в пограничный слой.

Что касается влияния степени турбулентности на теплоотдачу при ла минарном течении в случае отсутствия градиента давления по длине обте каемой поверхности, то результаты большинства экспериментальный работ свидетельствуют о том, что это влияние пренебрежимо мало. Однако в рабо тах Дж.Кестина и Б.Г.Ван дер Хегге Зийнена, при наличии градиента давле ния увеличение степени турбулентности приводит к росту теплоотдачи.

Наиболее полное и тщательное исследование влияния степени турбулентно сти на теплоотдачу при ламинарном обтекании поперечного цилиндра про ведено в работах Б.Г.Ван дер Хегге Зийнена, в которых отмечается, что ин тенсивность теплоотдачи определяется не только степенью турбулентности, но и ее макромасштабом.

Данные Н.Г.Лебедя и М.Пичаля по исследованию влияния степени турбулентности на сопротивление трения и теплообмен свидетельствуют о заметном увеличении турбулентного касательного напряжения (до 3 раз) при изменении Tu от 0,5 до 8–10%. Это неминуемо должно сказаться и на тепло отдаче.

Исследования по влиянию степени турбулентности на теплоотдачу при турбулентном течении в круглых трубах приведены в работе [144]. Степень турбулентности в трубе менялась от 4,5 до 37%, число ReD – от 9·103 до 150·103. Однако в данной работе не обнаружено влияния турбулентности по тока на теплоотдачу в области турбулентного пограничного слоя.

Исследование влияния уровня турбулентности потока на теплоотдачу в плоском канале проводилось также в работе [144]. При значении уровня тур булентности потока 5% режим течения в пограничном слое практически с самого начала носит турбулентный характер.

Анализ опытных данных показал существенное повышение теплоотда чи при Тu5%. По сравнению с зависимостью для канала с малой степенью турбулентности потока наблюдается расслоение опытных точек в зависимо сти от Tu, причем более высоким значениям Tu соответствует максимальное повышение теплоотдачи (до 1,8 раз при Tu30%). Однако такая картина на блюдается лишь при небольших значениях расстояния от входного участка.

По мере увеличения расстояния от входа расслоение опытных точек для раз ных значений Tu уменьшается и при определенном удалении от входа в ка нал практически исчезает. Эти результаты позволили высказать предположе ние, что возрастание интенсивности переноса теплоты связано с повышенной турбулентностью ядра потока, которая затухает по длине канала.

Работы, связанные с исследованием внешней турбулентности потока на теплоотдачу при течении теплоносителя в пустых гладких длинных каналах, отличаются противоречивостью. В одних указывается, что внешняя турбу лентность потока с Tu до 30% повышает теплоотдачу до 50%, в других – все го на 15–30%. При этом указывается, что рост теплоотдачи наблюдается при Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах увеличении Tu до 30–35%, далее увеличение Tu не приводит к дальнейшему заметному росту теплоотдачи.

Из эмпирических зависимостей для теплообмена на стенках канала при повышенной турбулентности внешнего потока можно рекомендовать сле дующие [145]: при числе Кармана Ка0,1 (Tu=0…0,2) – St / St 0 = 1 + 5Tu ;

при Ка0,1 – St / St 0 1,5 [St0 – число Стантона для стандартных условий («нуле вой» внешней турбулентности];

St0 – число Стантона для потока с повышен ной степенью турбулентности). То есть при степени турбулентности внешне го потока Tu=0,2 интенсификация составит 2 раза, а при Tu0,3 – 1,5 раза.

Можно сделать вывод, что для достижения максимальной интенсифи кации теплоотдачи необходимо не только поддерживать постоянным высо кий уровень внешней турбулентности потока, но и постоянно обновлять по граничный слой.

На этом основана теория поверхностной интенсификации теплообмена, например, с помощью периодически расположенных поперечных потоку вы ступов. Выступы являются генераторами небольших отрывных зон (вихрей), расположенных около стенки канала, и разрушают пограничный слой на оп ределенных расстояниях по длине канала. При образовании вихря около стенки возникают пульсации скорости, которые распадаясь, передают свою энергию более мелким пульсациям. Пульсации скорости переносятся основ ным потоком вдоль линий тока и диффундируют в стороны от них. Если вихрь и его границы расположены близко к стенке, то возникшие на ней пульсации скорости увеличат Tu вблизи стенки и тем самым интенсифици руют теплоотдачу [146]. Как указывают авторы [146] создавать повышенную турбулентность по всему сечению канала нецелесообразно, так как это при ведет к резкому повышению гидросопротивления и практически не скажется на интенсификации теплоотдачи. В работе [147] указывается, что примене ние дискретно установленных выступов позволяет увеличить теплоотдачу до 3,12 раза.

Конкретными задачами исследования при дискретном расположении пористых вставок являются:

• определение оптимальных значений длины пористой вставки, обеспечивающей максимальную турбулизацию потока;

• определение оптимального расстояния между пористыми встав ками, на которой поддерживается высокая степень турбулентности потока;

• выявление влияния на перечисленные параметры скорости пото ка, пористости и диаметра пор, размеров канала.

При анализе опытных данных по теплоотдаче и сопротивлению в кана лах с пористыми вставками большое значение имеет информация об измене нии профилей скорости и степени турбулентности.

На рис.6.22 представлены данные по распределению скорости w и сте пени турбулентности Тu в пустом канале в зоне измерений при Re= (скорость потока 10 м/с). Видно, что распределение скорости параболиче ское. Несимметричность профиля скорости вызвана условиями входа в канал Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах рабочего участка и, как будет показано далее, не влияет на картину течения при исследованиях с пористыми вставками. Степень турбулентности на оси канала – 6,5 %, в пристенной зоне она увеличивалась до 19–12%.

18 Степень турбулентности, % Осредненная скорость, м/с 14 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Координата, мм Координата, мм Рис.6.22. Профиль скорости и степень турбулентности Тu в пустом канале при Re= Дальнейшие опыты по исследованию картины течения за пористыми вставками проводились на пористых вставках различной проницаемости (диаметра пор, пористости), полностью перекрывающими поперечное сече ние канала. Пористые вставки имели различную протяженность L по длине канала. Использовались вставки, выполненные на основе ВПЯМ, пористо стью П = 0,8...0,96 и диаметром пор dп = 0,8...4 мм, шириной 19 мм, высо той 5–19 мм, длиной L от 3 до 60 мм. Скорость потока в эксперименте варьи ровалась от 3 до 40 м/с.

Измерения параметров потока измеря лись на различных расстояниях от выходной кромки вставки, что позволяло оценить про цесс затухания турбулентности за пористым материалом. Схема измерений представлена на рис.6.23.

На рис.6.24–6.45 представлены опыт ные данные изменения профиля скорости w и степени турбулентности Tu по высоте ка нала с пористыми вставками при Re=13400.

Рис.6.23. Схема измерений Высота канала составляла: h=5, 7, 10 и характеристик потока в ка мм. Характеристики пористых вставок из налах за пористыми встав менялись в диапазоне – П = 0,874 – 0,97, dп = ками, полностью перекры 0,81 – 3,5 мм, L = 3–60 мм.

вающими поперечное сече ние канала Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах длина слоя 3 мм длина слоя 5 мм х=42 мм 20 мм 8 мм 3 мм длина слоя 10 мм длина слоя 24 мм длина слоя 38 мм длина слоя 52 мм Осредненная скорость, м/с Осредненная скорость, м/с 0 2 4 6 8 10 12 14 16 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Координата, мм Координата, мм 16 длина слоя 3 мм длина слоя 5 мм 42 мм 20 мм длина слоя 10 мм длина слоя 24 мм 8 мм 3 мм длина слоя 38 мм длина слоя 52 мм Среднеквадратичные пульсации Среднеквадратичные пульсации скорости, м/с скорости, м/с 8 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Координата, мм Координата, мм 100 длина слоя 3 мм длина слоя 5 мм 42 мм 20 мм длина слоя 10 мм длина слоя 24 мм 70 8 мм 3 мм длина слоя 38 мм длина слоя 52 мм Степень турбулентности, % Степень турбулентности, % 50 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Координата, мм Координата, мм Рис.6.24. Картина течения за порис- Рис.6.25. Картина течения за порис той вставкой из ВПЯМ с П = 0,92, dп той вставкой из ВПЯМ с П = 0,92, = 3 мм, длиной 57 мм, Re=13400 на dп = 3 мм, длиной 3 мм, Re= расстоянии 3 мм от кромки пористой (высота канала 19 мм) вставки (высота канала 19 мм) Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах х=43 мм 23 мм х=47 мм 25 мм 11 мм 3 мм 17 мм 7 мм 72 мм 97 мм 3 мм Осредненная скорость, м/с Осредненная скорость, м/с 20 5 0 2 4 6 8 10 12 14 16 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Координата, мм Координата, мм 12 47 мм 25 мм 43 мм 23 мм 17 мм 7 мм 11 мм 3 мм Среднеквадратичные пульсации 3 мм Среднеквадратичные пульсации 72 мм 97 мм скорости, м/с скорости, м/с 6 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Координата, мм Координата, мм 43 мм 23 мм 47 мм 25 мм 70 11 мм 3 мм 17 мм 7 мм 72 мм 97 мм 3 мм Степень турбулентности, % Степень турбулентности, % 0 2 4 6 8 10 12 14 16 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Координата, мм Координата, мм Рис.


6.26. Картина течения за порис- Рис.6.27. Картина течения за порис той вставкой из ВПЯМ с П = 0,92, той вставкой из ВПЯМ с П = 0,92, dп = 3 мм, длиной 5 мм, Re=13400 dп = 3 мм, длиной 10 мм, Re= (высота канала 19 мм) (высота канала 19 мм) Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах 30 расстояние 3 мм расстояние 16 мм расстояние 3 мм расстояние 14 мм 28 расстояние 24 мм расстояние 42 мм расстояние 37 мм расстояние 69 мм 26 расстояние 66 мм расстояние 87 мм Осредненная скорость, м/с Осредненная скорость, м/с 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Координата, мм Координата, мм 5, 5, расстояние 3 мм расстояние 14 мм расстояние 3 мм расстояние 16 мм 4, 4,5 расстояние 37 мм расстояние 69 мм расстояние 24 мм расстояние 42 мм расстояние 66 мм расстояние 87 мм Среднеквадратичные пульсации Среднеквадратичные пульсации 4, 4, 3, 3, 3, скорости, м/с 3, скорости, м/с 2, 2, 2, 2, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0 2 4 6 8 10 12 14 16 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Координата, мм Координата, мм расстояние 3 мм расстояние 14 мм расстояние 3 мм расстояние 16 мм расстояние 37 мм расстояние 69 мм 70 расстояние 24 мм расстояние 42 мм расстояние 66 мм расстояние 87 мм Степень турбулентности, % Степень турбулентности, % 0 2 4 6 8 10 12 14 16 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Координата, мм Координата, мм Рис.6.28. Картина течения за порис- Рис.6.29. Картина течения за порис той вставкой из ВПЯМ с П = 0,97, той вставкой из ВПЯМ с П = 0,97, dп = 3,5 мм, длиной 7 мм, Re=13400 dп = 3,5 мм, длиной 18 мм, Re= (высота канала 19 мм) (высота канала 19 мм) Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах длина 7 мм расстояние 3 мм расстояние 12 мм расстояние 6 мм длина 18 мм расстояние 40 мм расстояние 83 мм длина 38 мм Осредненная скорость, м/с Осредненная скорость, м/с 14 4 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Координата, мм Координата, мм 2, 5, длина 7 мм 4,5 расстояние 3 мм длина 18 мм расстояние 12 мм расстояние 6 мм длина 38 мм Среднеквадратичные пульсации Среднеквадратичные пульсации 4, расстояние 40 мм расстояние 83 мм 1, 3, скорости, м/с 3, скорости, м/с 2, 1, 2, 1, 1,0 0, 0, 0 2 4 6 8 10 12 14 16 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Координата, мм Координата, мм расстояние 3 мм длина 7 мм расстояние 12 мм расстояние 6 мм 70 длина 18 мм расстояние 40 мм расстояние 83 мм длина 38 мм Степень турбулентности, % Степень турбулентности, % 0 2 4 6 8 10 12 14 16 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Координата, мм Координата, мм Рис.6.30. Картина течения за порис- Рис.6.31. Картина течения за порис той вставкой из ВПЯМ с П = 0,97, той вставкой из ВПЯМ с П = 0,919, dп = 3,5 мм, длиной 7–38 мм при dп = 0,81 мм, длиной 5 мм при Re=13400 на расстоянии 3 мм от Re=13400 (высота канала 19 мм) кромки вставки (высота канала 19 мм) Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах расстояние 3 мм длина 5 мм длина 10 мм расстояние 22 мм длина 18 мм длина 33 мм расстояние 55 мм Осреднненая скорость, м/с Осредненная скорость, м/с 12 0 2 4 6 8 10 12 14 16 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Координата, мм Координата, мм 2, 2, длина 5 мм длина 10 мм расстояние 3 мм длина 18 мм длина 33 мм расстояние 22 мм расстояние 55 мм Среднеквадратичные пульсации Среднеквадратичные пульсации 1, 1, скорости, м/с скорости, м/с 1, 1, 0, 0, 0 2 4 6 8 10 12 14 16 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Координата, мм Координата, мм длина 5 мм длина 10 мм расстояние 3 мм длина 18 мм длина 33 мм расстояние 22 мм Степень турбулентности, % расстояние 55 мм Степень турбулентности, % 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Координата, мм Координата, мм Рис.6.32. Картина течения за порис- Рис.6.33. Картина течения за порис той вставкой из ВПЯМ с П = 0,919, той вставкой из ВПЯМ с П = 0,97, dп = 0,81 мм, длиной 10 мм при dп = 3,5 мм, длиной 5–33 мм при Re=13400 (высота канала 19 мм) Re=13400 на расстоянии 3 мм от кромки вставки (высота канала 19 мм) Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах расстояние 3 мм расстояние 11 мм длина 10 мм длина 20 мм расстояние 34 мм расстояние 67 мм расстояние 85 мм Осредненная скорость, м/с Осредненная скорость, м/с 0 2 4 6 8 10 12 14 16 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Координата, мм Координата, мм 6, 6, расстояние 3 мм расстояние 11 мм длина 10 мм длина 20 мм 5, 5, расстояние 34 мм расстояние 67 мм расстояние 85 мм 5, 5, Среднеквадратичные пульсации Среднеквадратичные пульсации 4, 4, 4, 4, скорости, м/с скорости, м/с 3, 3, 3, 3, 2, 2, 2, 2, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0 2 4 6 8 10 12 14 16 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Координата, мм Координата, мм длина 10 мм длина 20 мм расстояние 3 мм расстояние 11 мм расстояние 34 мм расстояние 67 мм расстояние 85 мм Степень турбулентности, % Степень турбулентности, % 0 2 4 6 8 10 12 14 16 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Координата, мм Координата, мм Рис.6.34. Картина течения за порис- Рис.6.35. Картина течения за порис той вставкой из ВПЯМ с П = 0,874, той вставкой из ВПЯМ с П = 0,874, dп = 0,92 мм, длиной 10 мм при dп = 0,92 мм, длиной 10 и 20 мм при Re=13400 (высота канала 19 мм) Re=13400 на расстоянии 3 мм от кромки вставки (высота канала 19 мм) Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах длина 5 мм длина 10 мм 22 Пористость 0,916, диаметр пор 2,17 мм, длина 40 мм длина 30 мм длина 5 мм расстояние 3 мм расстояние 8 мм Осредненная скорость, м/с Осредненная скорость, м/с 18 расстояние 36 мм расстояние 77 мм 10 0 2 4 6 8 10 12 14 16 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Координата, мм Координата, мм 3, 3, длина 5 мм длина 10 мм Пористость 0,916, диаметр пор 2,17 мм, длина 40 мм длина 30 мм длина 5 мм расстояние 3 мм расстояние 8 мм Среднеквадратичные пульсации Среднеквадратичные пульсации 2,5 2, расстояние 36 мм расстояние 77 мм 2, скорости, м/с скорости, м/с 2, 1, 1, 1, 1, 0, 0 2 4 6 8 10 12 14 16 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Координата, мм Координата, мм Пористость 0,916, диаметр пор 2,17 мм, длина 5 мм длина 10 мм длина 5 мм длина 40 мм длина 30 мм расстояние 3 мм расстояние 8 мм Степень турбулентности, % расстояние 36 мм расстояние 77 мм Степень турбулентности, % 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Координата, мм Координата, мм Рис.6.36. Картина течения за порис- Рис.6.37. Картина течения за порис той вставкой из ВПЯМ с П = 0,916, той вставкой из ВПЯМ с П = 0,916, dп = 1,67 мм, длиной 5 мм при dп = 1,67 мм, длиной 3-40 мм при Re=13400 (высота канала 19 мм) Re=13400 на расстоянии 3 мм от кромки вставки (высота канала 19 мм) Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах 16 расст. 3 мм расст. 20 мм расст. 3 мм расст. 16 мм расст. 32 мм расст. 64 мм расст. 39 мм расст. 64 мм Осредненная скорость, м/с Осредненная скорость, м/с 10 12 14 16 10 12 14 16 Координата, мм Координата, мм 4, 3, Среднеквадратичные пульсации скорости, м/с расст. 3 мм расст. 20 мм Среднеквадратичные пульсации скорости, м/с 3,8 расст. 3 мм расст. 16 мм 3,0 расст. 32 мм расст. 64 мм 3,6 расст. 39 мм расст. 64 мм 2,8 3, 3, 2, 3, 2, 2, 2,2 2, 2, 2, 2, 1, 2, 1,6 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1,0 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0,4 0, 0, 10 12 14 16 10 12 14 16 Координата, мм Координата, мм 40 расст. 3 мм расст. 20 мм 38 Пористая вставка e=0,97, d=3,5 мм 36 Высота канала 10 мм, толщина пор.вставки 19 мм расст. 32 мм расст. 64 мм 34 расст. 3 мм расст. 16 мм 32 расст. 39 мм расст. 64 мм Степень турбулентности, % Степень турбулентности, % 28 26 24 22 10 8 6 10 12 14 16 10 12 14 16 Координата, мм Координата, мм Рис.6.38. Картина течения за порис- Рис.6.39. Картина течения за порис той вставкой из ВПЯМ с П = 0,92, той вставкой из ВПЯМ с П = 0,97, dп = 3 мм, длиной 19 мм при Re=9085 dп = 3,5 мм, длиной 19 мм при (высота канала 10 мм) Re=9085 (высота канала 10 мм) Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах 24 расст. 3 мм расст. 17 мм расст. 3 мм расст. 14 мм расст. 32 мм расст. 46 мм расст. 35 мм расст. 64 мм Осредненная скорость, м/с Осредненная скорость, м/с 10 12 14 16 18 12 14 16 Координата, мм Координата, мм 2,0 2, Среднеквадратичные пульсации скорости, м/с Среднеквадратичные пульсации скорости, м/с расст. 3 мм расст. 14 мм расст. 3 мм расст. 17 мм 2, 1,8 расст. 35 мм расст. 64 мм расст. 32 мм расст. 46 мм 2, 1, 2, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 10 12 14 16 18 12 14 16 Координата, мм Координата, мм 28 расст. 3 мм расст. 14 мм расст. 3 мм расст. 17 мм расст. 35 мм расст. 64 мм 20 расст. 32 мм расст. 46 мм 22 Степень турбулентности, % Степень турбулентности, % 16 10 4 10 12 14 16 12 14 16 Координата, мм Координата, мм Рис.6.40. Картина течения за порис- Рис.6.41. Картина течения за порис той вставкой из ВПЯМ с П = 0,919, той вставкой из ВПЯМ с П = 0,919, dп = 0,81 мм, длиной 19 мм при dп = 0,81 мм, длиной 19 мм при Re=9085 (высота канала 10 мм). Re=7600 (высота канала 7 мм).

Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах 20 Пористая вставка e=0,97, d=3,5 мм расст. 3 мм Высота канала 7 мм, толщина пор.вставки 19 мм расст. 3 мм расст. 12 мм расст. 29 мм расст. 50 мм Осредненная скорость, м/с Осредненная скорость, м/с 12 12 14 16 14 16 Координата, мм Координата, мм 3,2 3, Среднеквадратичные пульсации скорости, м/с Среднеквадратичные пульсации скорости, м/с расст. 3 мм расст. 12 мм 3,0 расст. 3 мм 2, расст. 29 мм расст. 50 мм 2, 2, 2, 2, 2, 2,2 2, 2, 2, 1, 1, 1, 1, 1, 1,2 1, 1, 1, 0, 1, 12 14 16 18 14 16 Координата, мм Координата, мм 50 расст. 3 мм расст. 12 мм расст. 29 мм расст. 50 мм расст. 3 мм Степень турбулентности, % 40 Степень турбулентности, % 15 12 14 16 18 14 16 Координата, мм Координата, мм Рис.6.42. Картина течения за порис- Рис.6.43. Картина течения за порис той вставкой из ВПЯМ с П = 0,97, той вставкой из ВПЯМ с П = 0,92, dп = 3,5 мм, длиной 19 мм при dп = 2,5 мм, длиной 19 мм при Re=7600 (высота канала 7 мм). Re=6600 (высота канала 5 мм).


Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах расст. 3 мм расст. 15 мм расст. 3 мм расст. 20 мм расст. 37 мм расст. 57 мм расст. 38 мм расст. 63 мм Осредненная скорость, м/с Осредненная скорость, м/с 14 16 14 16 Координата, мм Координата, мм 3, 1, Среднеквадратичные пульсации скорости, м/с Среднеквадратичные пульсации скорости, м/с расст. 3 мм расст. 20 мм 2, расст. 38 мм расст. 63 мм 2, 2, 0,8 2, 2, 1, 1, 0, 1, 1, 1, расст. 3 мм расст. 15 мм расст. 37 мм расст. 57 мм 0, 0, 14 16 14 16 Координата, мм Координата, мм расст. 3 мм расст. 15 мм расст. 37 мм расст. 57 мм 30 расст. 3 мм расст. 20 мм расст. 38 мм расст. 63 мм Степень турбулентности, % Степень турбулентности, % 10 14 16 18 14 16 Координата, мм Координата, мм Рис.6.44. Картина течения за порис- Рис.6.45. Картина течения за порис той вставкой из ВПЯМ с П = 0,874, той вставкой из ВПЯМ с П = 0,92, dп = 0,92 мм, длиной 19 мм при dп = 2,5 мм, длиной 19 мм при Re=6600 (высота канала 5 мм). Re=6600 (высота канала 5 мм).

Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах Первичные эксперименты в канале с пористыми вставками показали, что на картину течения за пористой вставкой оказывает влияние только по следнее (выходное) сечение пористой вставки. Профиль скорости и степени турбулентности на выходе из пористой вставки имеют ярко выраженный из ломанный характер. Анализ шага изломов профилей скорости и степени тур булентности показывает, что он совпадает с «шагом» расположения пор в пористой структуре. Там, где в выходном сечении находится перемычка кар каса пористого материала, наблюдается минимум скорости потока, и соот ветственно максимум скорости приходится на сечение поры. Со степенью турбулентностью дело обстоит наоборот. В зоне перемычки степень турбу лентности максимальная, а в зоне поры минимальная. Это связано, во первых, с обычной картиной обтекания препятствия, где за ним образуется зона повышенной турбулентности, во-вторых, с тем, что основной поток теп лоносителя движется по извилистому пути, образованному порами, взаимо действую по пути путем сталкивания отдельных струек и перемешиванием теплоносителя. На выходе из пористого образца струйки вырываются из пор под различными углами по отношению к оси канала теплоносителя и также сталкиваются, повышая степень турбулентности на выходе из пористого об разца.

Анализ показывает, что степень турбулентности потока непосредст венно на выходе из пористого образца (х = 3 мм) достигает значений Tu = 10 70 %. Существует взаимосвязь степени турбулентности и параметров порис той вставки.

Для определения влияния длины (толщины) пористой вставки (длины пути теплоносителя через пористую вставку) на степень турбулентности по тока за ней проведены исследования, результаты которых представлены на рис.6.24, 6.30, 6.33, 6.35 и 6.37. Видно, что длина пористой вставки практи чески не оказывает влияния на степень турбулентности за пористой вставкой.

То есть степень турбулентности одинаковая, что за пористой вставкой дли ной 3 мм, что за пористой вставкой длиной 20 или 57 мм. При этом следует констатировать, что первичная турбулентность потока (перед пористой вставкой) не оказывает никакого влияния на степень турбулентности потока за пористой вставкой. То есть пористый турбулизатор как бы «перемалыва ет» весь поток.

Одним из определяющих факторов для уровня турбулентности потока может служить высота канала. Опыты по установлению влияния высоты ка нала проводились на высотах канала 5, 7, 10 и 19 мм. Анализ всех данных показывает, что высота канала не влияет на степень турбулизации потока.

Для удобства анализа и обработки данных по влиянию длины пористой вставки на степень турбулизации потока все данные были сведены на рис.6.46–6.50. По этим данным видно, что наличие пористого турбулизатора позволяет увеличить среднюю степень турбулентности потока в 4–7 раз по сравнению с гладким каналом.

Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах Степень турбулентности, % Степень турбулентности, % 5 0 5 10 15 20 25 30 35 0 10 20 30 40 Длина, мм Длина пористой вставки, мм Рис.6.47. Изменение степени Рис.6.46. Изменение степени турбулентности потока за пористыми турбулентности потока за пористыми вставками различной длины из вставками различной длины из ВПЯМ с П = 0,97, dп = 3,5 мм при ВПЯМ с П = 0,92, dп = 3 мм при Re= Re= 15 13 Степень турбулентности, % Степень турбулентности, % 0 5 10 15 20 25 30 0 5 10 15 Длина, мм Длина, мм Рис.6.48. Изменение степени Рис.6.49. Изменение степени турбулентности потока за пористыми турбулентности потока за пористыми вставками различной длины из вставками различной длины из ВПЯМ с П = 0,919, dп = 0,81 мм при ВПЯМ с П = 0,874, dп = 0,92 мм при Re=13400 Re= Степень турбулентности, % 0 10 20 30 Длина, мм Рис.6.50. Изменение степени турбулентности потока за пористыми вставками различной длины из ВПЯМ с П = 0,916, dп = 1,67 мм при Re= Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах Для сравнения были проведены опыты по исследованию степени тур булентности в канале за турбулизатором в виде однослойной сетки с разме ром ячеек, соответствующих диаметрам пор соответствующих пористых вставок. Толщина сеток была от 0,6 до 1 мм. Опыты должны были показать, что уменьшать толщину пористых вставок до минимума нецелесообразно.

Получено, что сетки практически не турбулизировали поток и доказано по следнее утверждение.

Как указывалось, на профили скорости, среднеквадратичных пульсаций и степени турбулентности оказывает влияние наличие пор и элементов кар каса (характерные скачки на профилях), которые по мере удаления от порис той вставки вырождаются в прямоугольные профили с дальнейшим ростом пограничного слоя. Для определения оптимального расстояния между порис тыми вставками из ВПЯМ при их дискретной установке с целью максималь ной турбулизации потока был проведен анализ данных, представленных на рис.6.246.50. Для удобства работы с данными по затуханию турбулентности они были представлены в виде графиков (рис.6.51–6.57). Видно, что характер затухания носит логарифмический характер.

Графики по затуханию степени турбулентности за пористыми вставка ми явно зависят от пористости и диаметра пор образцов. Для выбора опти мального расстояния между вставками при их дискретной установке необхо дим совместный анализ данных по затуханию турбулентности, гидравличе скому сопротивлению и теплоотдаче.

Пористая вставка, L=7 мм вставка длиной 3 мм Пористая вставка, L=18 мм вставка длиной 5 мм -------- Гладкий канал вставка длиной 10 мм Степень турбулентности, % степень турбулентности, % вставка длиной 24 мм вставка длиной 38 мм вставка длиной 52 мм 25 пустой гладкий канал 10 опт 0 20 40 60 80 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Расстояние, мм Расстояние от пористой вставки, мм Рис.6.52. Затухание турбулентности Рис.6.51. Затухание турбулентности потока за пористыми вставками потока за пористыми вставками различной длины из ВПЯМ с П = различной длины из ВПЯМ с П = 0,97, dп = 3,5 мм при Re= 0,92, dп = 3 мм при Re= (высота канала 19 мм) (высота канала 19 мм) Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах длина 5 мм длина 10 мм Пористая вставка Гладкий канал Гладкий канал Степень турбулентности, % Степень турбулентности, % 4 3 0 20 40 60 80 0 20 40 60 80 Расстояние, мм Расстояние, мм Рис.6.54. Затухание турбулентности Рис.6.53. Затухание турбулентности потока за пористыми вставками потока за пористыми вставками различной длины из ВПЯМ с П = различной длины из ВПЯМ с П = 0,974, dп = 0,92 мм при Re= 0,919, dп = 0,81 мм при Re= (высота канала 19 мм) (высота канала 19 мм) Высота канала 10 мм, толщина вставки 19 мм Пористая вставка 0,92, 3 мм 0,97, 3,5 мм длина 3 мм 0,919, 0,81 мм Гладкий канал Гладкий канал Степень турбулентности, % Степень турбулентности, % 0 10 20 30 40 50 60 70 Расстояние, мм 0 10 20 30 40 50 60 Расстояние, мм Рис.6.55. Затухание турбулентности Рис.6.56. Затухание турбулентности потока за пористыми вставками потока за пористыми вставками различной длины из ВПЯМ с П = различной длины из ВПЯМ длиной 0,916, dп = 1,67 мм (высота канала 19 мм с различными П и dп (высота 19 мм) канала 10 мм) При дискретной установке на степень турбулентности за пористой вставкой может оказать влияние наличие последующей вставки. На рис.6. показано, что последующая вставка не оказывает никакого влияния на карти ну течения за предыдущей пористой вставкой.

Также были проведены тестовые опыты по вероятности повторения картины течения и основных показателей (осредненной скорости, средне Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах квадратичных пульсаций и степени турбулентности в канале с пористыми вставками из одной партии ВПЯМ (одинаковая пористость и диаметр пор).

0,874-0, 0,920-2, 30 0,916-2, 0,916-1, Степень турбулентности, % Гладкий канал 0 10 20 30 40 50 60 Расстояние, мм Рис.6.57. Затухание турбулентности потока за пористыми вставками различной длины из ВПЯМ длиной 19 мм с различными П и dп (высота кана ла 5 мм) В данном случае опыты проводились на пористых вставках, имеющих одинаковые пористость и диаметры пор, но вследствие анизотропности структуры имеющие несколько различный каркас. Вследствие этого меняется качественная картина на выходе из пористой вставки, но, как показано, коли чественно ни степень турбулизации, ни значения скорости фильтрации не изменяются (рис.6.59). Данное утверждение доказывает, что полученные ра нее данные и их анализ будут справедливы для широкого круга пористых вставок из ВПЯМ, имеющих одинаковые характеристики.

Все перечисленные выше результаты относятся для скорости потока w = 10 м/c, хотя вследствие изменения высоты канала от 5 до 19 мм изменялось число Рейнольдса – от 6600 до 13400.

Результаты исследования влияния скорости потока на степень турбу лентности и характер ее затухания за пористыми вставками при изменении скорости потока представлены на рис.6.60–6.69.

Для удобства анализа результаты исследования по влиянию скорости фильтрации на картину течения (степень турбулентности и закон ее затуха ния) сведены на рис.6.70. Представлены данные для скоростей потока от 4, до 31,5 м/с. Анализ данного рисунка и его сопоставление с аналогичными ри сунками для скорости потока 10 м/с показывают, что в исследованном диапа зоне скоростей последние не оказывают влияния на характер затухания тур булентности и ее уровень.

Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах 8 между пористыми вставками между пористыми вставками за пористой вставкой за пористой вставкой Среднеквадратичные пульсации Осредненная скорость, м/с скорости, м/с 14 6 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Координата, мм 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Координата, мм между пористыми вставками за пористой вставкой Степень турбулентности, % Рис.6.58. Влияние на картину течения дискретной установки пористых 0 2 4 6 8 10 12 14 16 вставок из ВПЯМ с П = 0,92, dп = Координата, мм 3 мм при Re= Для анализа влияния скорости потока w на уровень степени турбулент ности в потоке за пористой вставкой экспериментальные данные были сгруппированы в виде графиков, представленных на рис.6.71. Анализ данных показывает, что в диапазоне скоростей от 4 до 31,5 м/с средняя степень тур булентности потока на выходе из пористой вставки остается практически по стоянной. Наблюдается лишь характерное незначительное (до 10%) умень шение степени турбулентности при увеличении скорости фильтрации. При уменьшении скорости фильтрации ниже 4 м/с наблюдается резкое уменьше ние степени турбулентности потока на выходе из пористой вставки, что в первую очередь связано с изменением характера течения теплоносителя в пористом каркасе, характеризуемом уменьшением взаимодействия потоков в сообщающихся порах и пропадания «струйного» потока в сообщающихся порах.

Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах Осредненная скорость, м/с 10 Степень турбулентности, % 4 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Координата, мм Координата, мм 3, Пористость 0,916, диаметр пор 2,17 мм, длина 10 мм, расстояние 3 мм 2, Среднеквадратичные пульсации 2, скорости, м/с Вариант: 1 2 3 1, сред нее 1, Скорость, м/с: 4,7 4,4 4, Пульсации, м/с: 1,4 1,7 1, 0, Турбулентность,%: 32 45 37 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Координата, мм Рис.6.59. Вероятность повторения картины течения и основных показателей (осредненной скорости, среднеквадратичных пульсаций и степени турбу лентности в канале с пористыми вставками из одной партии – ВПЯМ, П = 0,916, dп = 2,17 мм, при Re=13400) В итоге можно констатировать, что скорость потока в рабочем диапа зоне от 4 до 31,5 м/с не оказывает влияния на степень турбулентности потока и характер ее затухания за пористыми вставками из ВПЯМ. Исследованному диапазону скоростей от 4 до 31,5 м/с соответствует диапазон чисел Рей нольдса – Re = 5000 – 39450.

Приведенный экспериментальный материал целесообразно проанали зировать с целью получения обобщенных зависимостей для расчета затуха ния турбулентности после пористых вставок. Выполненные исследования можно разбить на две части.

Первая часть включает исследование уровня турбулентности за порис тым турбулизатором в некотором начальном сечении (х = 3 мм).

Вторая – исследование затухания искусственно созданной турбулент ности на начальном участке за турбулизатором.

Однако было принято решение совместить две части и получить еди ную зависимость и для расчета степени турбулентности в любом сечении за пористым образцом в зоне затухания турбулентности.

Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах 60 Пористость 0,925, диаметр пор 2,7 мм Пористость 0,925, диаметр пор 2,7 мм 55 канал 18х19 мм, расстояние 3 мм канал 18х19 мм, скорость - 25 м/с 50 толщина пористого образца 14 мм толщина пористого образца 14 мм скорость: - 26,11 м/с расстояние: - 3 мм Осредненная скорость, м/с Осредненная скорость, м/с 45 - 14,85 м/с - 7,02 м/с - 15 мм - 40 мм 40 - 2,88 м/с - 15,01 м/с 40 - 92 мм - гладкий канал 35 30 25 20 0 2 4 6 8 10 12 14 16 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Координата, мм Координата, мм 12 Среднеквадратичные пульсации скорости, м/с Среднеквадратичные пульсации скорости, м/с 11 Пористость 0,925, диаметр пор 2,7 мм 11 Пористость 0,925, диаметр пор 2,7 мм канал 18х19 мм, расстояние 3 мм канал 18х19 мм, скорость - 25 м/с 10 толщина пористого образца 14 мм толщина пористого образца 14 мм скорость: - 26,11 м/с расстояние: - 3 мм 9 - 14,85 м/с - 7,02 м/с - 15 мм - 40 мм - 2,88 м/с - 15,01 м/с 8 - 92 мм - гладкий канал 7 6 5 4 0 2 4 6 8 10 12 14 16 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Координата, мм Координата, мм 40 Пористость 0,925, диаметр пор 2,7 мм 40 Пористость 0,925, диаметр пор 2,7 мм канал 18х19 мм, скорость - 25 м/с канал 18х19 мм, расстояние 3 мм 38 толщина пористого образца 14 мм толщина пористого образца 14 мм 36 расстояние: - 3 мм скорость: - 26,11 м/с Степень турбулентности, % Степень турбулентности, % - 15 мм - 40 мм 34 - 14,85 м/с - 7,02 м/с 30 - 92 мм - гладкий канал 32 - 2,88 м/с - 15,01 м/с 24 20 0 2 4 6 8 10 12 14 16 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Координата, мм Координата, мм Рис.6.60. Картина течения за порис- Рис.6.61. Картина течения за порис той вставкой П=0,925 и dп=2,7 мм той вставкой П=0,925 и dп=2,7 мм при различных скоростях потока при скорости потока 25 м/с Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах Пористость 0,919, диаметр пор 0,81 мм Пористость 0,925, диаметр пор 2,7 мм канал 18х19 мм, расстояние - 3 мм канал 18х19 мм, скорость - 4,52 м/с 50 толщина пористого образца 14 мм толщина пористого образца 14 мм скорость - 29,27 м/с, - 14, расстояние: - 3 мм Осредненная скорость, м/с Осредненная скорость, м/с - 7,02, - 2,25, - 6, - 18 мм - 35 мм - 70 мм - гладкий канал 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Координата, мм Координата, мм 4, Среднеквадратичные пульсации скорости, м/с Среднеквадратичные пульсации скорости, м/с Пористость 0,919, диаметр пор 0,81 мм Пористость 0,925, диаметр пор 2,7 мм 4, канал 18х19 мм, расстояние - 3 мм канал 18х19 мм, скорость - 4,52 м/с толщина пористого образца 14 мм толщина пористого образца 14 мм 3,5 скорость - 29,27 м/с, - 14, расстояние: - 3 мм - 7,02, - 2,25, - 6, - 18 мм - 35 мм 3, - 70 мм - гладкий канал 2, 2, 1, 1, 0, 0, 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Координата, мм Координата, мм 40 Пористость 0,925, диаметр пор 2,7 мм Пористость 0,919, диаметр пор 0,81 мм канал 18х19 мм, скорость - 4,52 м/с канал 18х19 мм, расстояние - 3 мм толщина пористого образца 14 мм 35 толщина пористого образца 14 мм расстояние: - 3 мм скорость - 29,27 м/с, - 14, Степень турбулентности, % - 18 мм - 35 мм Степень турбулентности, % - 7,02, - 2,25, - 6, 30 - 70 мм - гладкий канал 15 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Координата, мм Координата, мм Рис.6.62. Картина течения за пористой Рис.6.63. Картина течения за порис вставкой П=0,925 и dп=2,7 мм при ско- той вставкой П=0,919 и dп=0,81 мм рости потока 4,52 м/с при различных скоростях потока Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах Пористость 0,919, диаметр пор 0,81 мм Пористость 0,919, диаметр пор 0,81 мм канал 18х19 мм, скорость - 6,9 м/с, 50 канал 18х19 мм, скорость - 31,5 м/с, толщина пористого образца 14 мм 25 толщина пористого образца 14 мм расстояние (мм): -3 - расстояние (мм): -3 - Осредненная скорость, м/с Осредненная скорость, м/с - 36 - 68 - - гладкий канал - гладкий канал 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Координата, мм Координата, мм 1,2 Среднеквадратичные пульсации скорости, м/с Среднеквадратичные пульсации скорости, м/с Пористость 0,919, диаметр пор 0,81 мм Пористость 0,919, диаметр пор 0,81 мм канал 18х19 мм, скорость - 6,9 м/с, канал 18х19 мм, скорость - 31,5 м/с, 1,0 толщина пористого образца 14 мм толщина пористого образца 14 мм расстояние (мм): -3 - 17 расстояние (мм): -3 - - 36 - 68 - 101 - гладкий канал - гладкий канал 0, 0, 0, 0, 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Координата, мм Координата, мм Пористость 0,919, диаметр пор 0,81 мм Пористость 0,919, диаметр пор 0,81 мм канал 18х19 мм, скорость - 31,5 м/с, канал 18х19 мм, скорость - 6,9 м/с, толщина пористого образца 14 мм толщина пористого образца 14 мм расстояние (мм): -3 - расстояние (мм): -3 - Степень турбулентности, % Степень турбулентности, % - гладкий канал - 36 - 68 - - гладкий канал 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Координата, мм Координата, мм Рис.6.64. Картина течения за порис- Рис.6.65. Картина течения за порис той вставкой П=0,919 и dп=0,81 мм той вставкой П=0,919 и dп=0,81 мм при скорости потока 6,9 м/с при скорости потока 31,5 м/с Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах Пористость 0,916, диаметр пор 1,67 мм Пористость 0,97, диаметр пор 3,5 мм канал 18х19 мм, расстояние - 3 мм 70 канал 18х19 мм, расстояние - 3 мм толщина пористого образца 20 мм толщина пористого образца 20 мм скорость - 6,62,27 м/с, - 2, скорость (м/с):



Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.