[vc_row][vc_column][vc_column_text]«Изучение физики тепловых процессов сложного тепломассопереноса в каналах в условиях гидродинамической нестационарности потока» 

 

Рис. 1. Пример слабого взаимодействия вынужденных пульсаций потока

и процесса вихреобразования

 

Аннотация

  1. Выполнены экспериментальные исследования влияния пульсаций внешнего потока на процесс вихреобразования за поперечно обтекаемым круговым цилиндром и теплоотдачу с его поверхности. По данным визуализации выделено четыре характерных режима обтекания цилиндра пульсирующим потоком. Показано, что режим обтекания цилиндра пульсирующим потоком определяется соотношением двух инерционных сил: первая вызвана ускорением набегающего потока при его глобальном нестационарном движении, вторая – искривлением линий тока при обтекании цилиндра. Введено новое число подобия, представляющее отношение этих двух сил инерции: AUf d/U2, где U – средняя скорость, Au – амплитуда пульсаций, f – частота пульсаций, d – диаметр цилиндра. В пространстве этого числа подобия совместно с относительной амплитудой b= Au/U построена карта режимов обтекания цилиндра. Показано, что при использовании нового числа подобия границы режимов хорошо определены и удовлетворительно описываются прямыми линиями.
  2. Предложена гипотеза механизма формирования вихревых структур за цилиндром в пульсирующем течении, как суперпозиции двух механизмов: регулярный срыв вихрей, соответствующий стационарному обтеканию (вихревая дорожка Кармана), и тенденция к формированию и срыву симметричных вихрей под действием ускорения внешнего потока. На карте режимов выделена область “слабого взаимодействия”, в пределах которой действуют одновременно оба механизма формирования крупномасштабных вихревых структур за телом, и область “сильного взаимодействия”, в которой формирование вихрей практически полностью определяется воздействием вынужденных пульсаций потока.
  3. Установлена взаимосвязь распределения коэффициента теплоотдачи по поверхности цилиндра с характером вихреобразования при его поперечном обтекании пульсирующим потоком. Экспериментально выявлено, что пульсации внешнего потока приводят к интенсификации средней теплоотдачи с поверхности цилиндра. Установлен режим обтекания цилиндра, соответствующий наибольшей интенсификации теплоотдачи. Показано, что прирост теплоотдачи цилиндра в пульсирующем потоке обусловлен существенным увеличением коэффициента  теплоотдачи в его кормовой области и может достигать 17%.
  4. Выполнены экспериментальные исследования влияния вынужденных пульсаций потока на структуру обтекания поперечного выступа в канале на режимах перехода к турбулентности. Описан механизм формирования вихревых структур в слое смешения за выступом в канале. Показано, что при стационарном внешнем потоке в формировании вихрей за выступом на поздних стадиях перехода к турбулентности определяющую роль играет спиралевидное движение жидкости от боковых стенок канала к его плоскости симметрии.

Установлено, что в фазе ускорения потока за выступом формируются крупномасштабные разгонные вихри сложной трехмерной структуры (пространственные вихревые «сгустки»). Разгонные вихри формируются и при числах Рейнольдса, при которых в стационарном потоке образования крупномасштабных вихрей еще не наблюдается. С увеличением числа Рейнольдса наблюдается существенное расширение области воздействия вихревых структур на пристенную область течения.

Установлено, что вынужденные пульсации потока с относительной амплитудой b=AU/U > 0.07 в значительной степени разрушают структуру течения, характерную для стационарных условий на тех же режимах по числу Рейнольдса. Выделены три группы режимов воздействия вынужденных пульсаций на формирование вихрей:

– формирование за выступом в фазе ускорения потока разгонных вихрей (трехмерных вихревых сгустков), линейный масштаб которых в два — три раза превышает высоту выступа;

– режимы, в которых продольный масштаб разгонных вихрей приблизительно равен высоте выступа. Вихри в фазе ускорения потока начинают интенсивное движение от стенки, на которой установлен выступ, а затем сносится внешним потоком;

– за выступом образуется квазистационарная рециркуляционная область, на внешней границе которой наблюдается конвективный перенос мелкомасштабных вихрей, движущихся с частотой вынужденных пульсаций скорости потока и практически не взаимодействующих со стенкой.

  1. Выполнены экспериментальные исследования гидродинамических и тепловых процессов в плоских диффузорных и конфузорных каналах различной геометрии на пульсирующих режимах течения рабочей среды (воздуха) в широких диапазонах частот наложенных пульсаций (0 – 200 Гц) и относительных амплитуд скорости потока (0 – 1).  Получены немонотонные распределения гидродинамических параметров потока по частоте наложенных пульсаций в каналах, что может быть основанием для определения оптимальных и/или нежелательных режимов их работы. Установлены особенности кинематической структуры пульсирующих потоков в разных фазах наложенных пульсаций. Выявлена интенсификация теплоотдачи в диффузорах и конфузорах при определенных сочетаниях геометрии каналов и параметров пульсаций потока, достигающая  50% по сравнению со стационарными режимами.

[/vc_column_text][/vc_column][/vc_row]