Факторы, влияющие на характеристики турбулентного отрывного дозвукового течения

1.

ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ТУРБУЛЕНТНОГО
ОТРЫВНОГО ДОЗВУКОВОГО ТЕЧЕНИЯ
Терехов В.И., Богатко Т. В.
Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН

2. Введение

2

3. Основные параметры влияющие на динамические характеристики отрывного течения и теплообмен

Число Рейнольдса и состояние отрывающегося пограничного слоя.
Ламинарный, переходный, турбулентный.
Турбулентный режим течения. Re = 5 000 – 135 000.
Геометрия каналов и труб. Течение на пластине, в прямоугольном канале, в
трубе. Осесимметричное течение в трубе.
Форма препятствия.
Внезапное расширение в трубе, плоская кольцевая диафрагма, кольцевая диафрагма
прямоугольного сечения, кольцевая диафрагма сегментообразного сечения,
кольцевая траншея.
Динамическая и тепловая предыстория потока. Наличие или отсутствие
пограничного слоя в потоке перед отрывом. Наличие или отсутствие
теплообмена в потоке перед отрывом.
Толщина динамического пограничного слоя варьировалась от δ/R1=0 до δ/R1=1.
Толщина теплового пограничного слоя варьировалась от δТ/R1=0 до δТ/R1=1.
Степень расширения и продольный градиент давления. ER=(D/d)^2; Cp=1(r/R)^4; ЕR варьировалась от 1.085 до 4. Cp варьировался от 0.15 до 0.9375.
Уровень внешней турбулентности.
Наличие дополнительных возмущающих элементов перед отрывом потока.
Дополнительное вихреобразующее препятствие в виде кольцевой диафрагмы,
расположение и высота которой варьировались.
3

4. Цель данного цикла исследований заключается в изучении воздействия различных факторов на динамику турбулентного отрывного

4
Цель данного цикла исследований заключается в изучении воздействия
различных факторов на динамику турбулентного отрывного течения и теплообмен
в круглой трубе, таких как: форма одиночного турбулизатора, наличие
динамической и тепловой предыстории, продольный градиент давления, наличие
минитурбулизаторов перед отрывом.
Исследовать влияние формы поперечного сечения кольцевой диафрагмы на
структуру
потока
и
теплообмен
в
цилиндрическом
канале.
Внезапное расширение в трубе, плоская кольцевая диафрагма, кольцевая
диафрагма прямоугольного сечения, кольцевая диафрагма сегментообразного
сечения, кольцевая траншея.
Изучить характеристики турбулентного течения и теплообмена в трубе с
внезапным расширением под воздействием динамической и тепловой
предыстории потока.
Толщина динамического пограничного слоя варьировалась от δ/R1=0 до δ/R1=1.
Толщина теплового пограничного слоя варьировалась от δТ/R1=0 до δТ/R1=1.
Провести исследование влияния геометрических масштабов расширения
круглой трубы и положительного градиента давления на структуру течения
и характеристики турбулентного теплообмена в области, следующей за
внезапным расширением.
ЕR варьировалась от 1.085 до 4. Cp варьировался от 0.15 до 0.9375.
Исследовать действие минитурбулизаторов на характеристики основного
отрывного потока и теплообмен в трубе с внезапным расширением.
Дополнительное вихреобразующее препятствие в виде кольцевой диафрагмы,
расположение и высота которой варьировались.

5. Моделирование турбулентных отрывных течений.

5
RANS – Reynolds Averaged Navier-Stokes equations
Расчёты выполнены в рамках модели несжимаемоей жидкости на основе системы
стационарных уравнений Навье-Стокса и энергии, осреднённых по Рейнольдсу.
Турбулентная вязкость определялась по модели турбулентности Ментера с модификацией
SST (k-w SST) реализованная в ANSYS-FLUENT
• Menter, F.R. Two equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications // AIAA Journal, 1994 - Vol. 32. - P. 1598-1605.
• F.R. Menter, R. Langtry, M.Kuntz. Ten Years of Industrial Experience with the SST Turbulence Model // Turbulence, Heat and Mass Transfer , 2003.

6. Вихревое течение и теплообмен при наличии турбулизаторов различной формы

Леонтьев А.И., Гортышов Ю.Ф., Олимпиев В.В., Попов И.А. Эффективные интенсификаторы
теплоотдачи для ламинарных (турбулентных) потоков в каналах энергоустановок. 2005 г.
Дрейцер Г.А., Исаев С.А., Лобанов И.Е. Расчёт конвективного теплообмена в трубе с
периодически расположенными поверхностными турбулизаторами потока. 2005 г.
Terekhov V.I, Kalinina S.V., Mshvidobadze Yu.M. Heat transfer coefficient and aerodynamical
resistance on a surface with a singe dimple. 1997.
Павловский В.Г. К вопросу о влиянии конфигурации турбулизаторов на тепловую эффективность
поверхности стенки канала 1969 г.
Анисин А.К. Теплоотдача и сопротивление трубчатой поверхности с двусторонними
сфероидальными элементами шероховатости.1983 г.
Мигай В.К. Об интенсификации конвективного теплообмена в каналах путём применения
искусственной турбулизации потока 1965г.
Гортышов Ю.Ф., Попов И.А. Научные основы расчёта высокоэффективных компактных
теплообменных аппаратов с рациональными интенсификаторами теплоотдачи. 2006 г.
Калинин Э.К., Дрейцер В.А., Кузьминов В.А., Неверов А.С. О влиянии высоты и шага
размещения турбулизаторов на интенсификацию теплообмена в трубе.1971 г.
Евенко В.И., Шишков В.М., Анисин А.К. Влияние формы и расположения шероховатости на
эффективность теплоотдачи в трубах.
Скаггз, Тейлор, Коулман. Измерение и расчёт влияния однородной шероховатости стенок на
коэффициент трения. 1989 г.
Гортышов Ю.Ф., Попов И.А., Усенков Р.А. Теплоотдача свободноконвективных течений при
наличии поверхностных интенсификаторов. 2003 г.
Мигай В.К.,Новожилов И.Ф. Теплообмен в трубах с внутренними поперечными выступами.1965г.
Хан. Теплообмен и трение в каналах с двумя оребренными противоположными стенками. 1984 г.
Зубков П.Т., Тарасова Е.Н. Гидродинамика и теплообмен в канале с кольцевыми рёбрами. 2004 г.
Miyake Y., Tsujimoto K., Nagai N. Numerical simulation of channel flow with a rib-roughened wall.
2002г.
6

7. Вихревое течение и теплообмен в трубе с одиночными преградами различной формы

1) Диафрагма полукруглого сечения
R=50 мм; L=(5000+m) мм; m=30 мм; h=15 мм.
4) Диафрагма прямоугольного сечения
R=50 мм; L=(5000+m) мм; m=30 мм; h=15 мм.
2) Диафрагма сегментообразного сечения
R=50 мм; L=(5000+m) мм; m=52 мм; h=15 мм.
5) Плоская диафрагма
R=50 мм; L=(5000+m) мм; m=3 мм; h=15 мм
3) Диафрагма сегментообразного сечения
R=50 мм; L=(5000+m) мм; m=67 мм; h=15 мм.
6) Кольцевое углубление
R=50 мм; L=(5000+m) мм; m=30 мм; h=15 мм.
7

8.

Вихревое течение и теплообмен в трубе
с одиночными преградами различной формы
8
↑ 2,5 раза
y, м
Относительная координата точки присоединения
х, м
Поле продольной составляющей скорости
и линии тока в области диафрагмы.

9.

Обобщение расчётных данных
Теплогидравлическая эффективность
Обобщение расчётных данных по
максимальному коэффициенту
теплоотдачи.
[1] Леонтьев А.И., Ивин В.И., Грехов Л.В. Полуэмпирический способ оценки уровня
теплообмена за точкой отрыва пограничного слоя, 1984.
[2] Ota T., Nishiyama H. A correlation of maximum turbulent heat transfer coefficient in reattachment
flow region, 1987.
9

10. Влияние динамической и тепловой предыстории на турбулентное отрывное течение в трубе с внезапным расширением

R1=0.06 м; R2=0.08 м;
s=0.02 м, L=1.6 м
δ/h=0; 0.25; 0.5; 1; 2;3.
X0=0... 2.165 м;
Схема расчётной области
0.37
x0
0.2
w0 v
0.8
Итон Дж.К., Джонстон Дж.П. Ракетная техника и космонавтика, 1981 г.
Батенко С.Р., Терехов В.И. ПМТФ, 2002 г.
Ларичкин В.В., Яковенко С.Н. Прикладная механика и техническая физика, 2003 г.
Терехов В.И., Богатко Т.В. Теплофизика и аэромеханика, 2008, 2011 гг.
Kottke V. Proc. Int. Heat Transfer Conf, 1982 (Paper FC32).
10

11.

Влияние динамической предыстории на турбулентное отрывное течение
в трубе с внезапным расширением
↑ 20-40%
Распределение коэффициента трения на стенке
после внезапного расширения
Относительная координата точки присоединения
↓ 15-25%
Распределение коэффициента теплоотдачи на
стенке после внезапного расширения
Максимальное значение теплоотдачи
11

12.

Влияние тепловой предыстории на турбулентное отрывное течение
в трубе с внезапным расширением
↓ 35-45%
Максимальные значения Nu для различных
относительных толщин теплового пограничного
слоя при всех исследованных числах Рейнольдса.
Относительное значение координаты, соответствующей
максимальному значению Nu для различных относительных
толщин теплового пограничного слоя.
12

13.

Обобщение результатов исследования
13
0,75
Numax L 0,054Re0,72
(1
0,7(
/
S
)
).
t
L
Обобщение опытных данных. Nu_max при
различных относительных толщинах
теплового пограничного слоя во всём диапазоне
чисел Рейнольдса.
Сравнение с экспериментальными данными
Kottke V. Proc. Int. Heat Transfer Conf., Munich, 1982.
↓ 45%
↑ 15%
Относительное значение Nu_max для различных
относительных толщин теплового пограничного слоя.
Относительное значение координаты Nu_max при
различных относительных толщин теплового
пограничного слоя.

14.

Влияние степени расширения и продольного градиента давления каналов и
труб на динамические свойства и теплообмен отрывного потока
r=60 мм;
h=2.5 ... 60 мм;
R= 62.5 ... 120 мм;
L=1600 мм
ER=(D/d)^2; ЕR: [1.085 ... 4]
Cp=1-(r/R)^4; Cp: [0.15 ... 0.9375]
Re(d)=[6700 ... 133 300]
Схема расчётной области
Амано, Дженсен, Гоэл. Исследование
и экспериментальное исследование. 1983.
теплообмена,
труба
с
внезапным
расширением,
численное
Кталхерман М.Г. Гидродинамика и теплообмен, расширение в круглом канале, эксперимент. 1970.
Земаник, Дугалл. Исследование теплообмена, расширение круглого канала, эксперимент. 1970.
Мун, Рудингер. Распределение скорости, канал круглого сечения с внезапным расширением, эксперимент. 1977.
Даррет, Стивенсон, Томпсон. Измерения полей скорости, внезапное расширение трубы, эксперимент. 1989.
Кюн Д.М. Влияние положительного градиента давления, уступ, эксперимент. РТиК, 1980
Ra S.H., Chang P.K. Влияние положительного градиента давления, уступ, расчёт . AIAA Engineering notes. 1990.
Lim K.S., Park S.O., Shim H.S. A Low Aspect Ratio Backward-Facing Step Flow. 1990.
Ota T., Fu H.G., Yoshikawa H. Effects of aspect ratio on turbulent heat transfer around a downward facing step. 2002.
Yoshikawa H., Suga T., Ota T. Turbulent heat transfer around a downward-facing step. Effects of step height. 2005.
Chen Y.T., Nie H.J., Armaly B.F. Turbulent separated, backward-facing step, effects of step height. 2006.
14

15.

Теплообмен в круглой трубе
с различной степенью внезапного расширения
15
ER=1.36; r=60 мм; R= 70 мм;
ER=4; r=60 мм; R= 100 мм;
Относительная координата точки
присоединения. Сравнение результатов расчёта
с экспериментальными данными [1-4]
[1] Мун, Рудингер. Теплопередача, 1977 г.
[2] Даррет, Стивенсон, Томпсон. Современное машиностроение, 1989 г.
[3] Кюн Д.М. Современное машиностроение, 1989 г.
[4] Кталхерман М.Г. Исследование турбулентных отрывных течений в канале.
Дисс. к.т.н. – Новосибирск. 1970.

16.

Профили продольной
составляющей скорости.
а) ER=1.36;
б) ER=4.
Профили кинетической энергии
турбулентности.
а) ER=1.36;
б) ER=4.
Профили температуры.
а) ER=1.36;
б) ER=4.
16

17.

Теплообмен в круглой трубе с различной степенью
внезапного расширения. Обобщение результатов исследования.
↓ 3,5 -4 раза
↑ 85 -100 %
Значения максимального коэффициента
теплоотдачи
Относительное значение координаты Nu_max
Среднее значение теплоотдачи на участке от расширения до точки присоединения Xr
17

18. Теплообмен в трубе с внезапным расширением при наличии продольного градиента давления

k
18
v du
u 2 dx
Схема расчётной области
Относительная длина рециркуляционной зоны.
Сравнение с экспериментальными данными.
↓ 35 %
↑ 15%
Картины течения в области после внезапного расширения
трубы; а) αо=0, б) αо=2, в) αо=5. (координаты в метрах)
Максимальное число Нуссельта и относительная
координата максимальной теплоотдачи XNu max
в зависимости от параметра Кейса.
[7] Кюн Д.М. Влияние положительного градиента давления на характеристики присоединяющегося течения несжимаемой жидкости над уступом// РТиК, 1980
[8] Driver D.M., Seegmiller H.L. Features of a reattaching turbulent shear layer in divergent channel flow// AIAA Journal 1985.

19. Теплообмен в круглой трубе с внезапным расширением при наличии дополнительного интенсификатора

d=120 мм
D=200 мм
h=40 мм
L=1600 мм
S_dfg=0, 50, 100, 150 мм
h_dfg=0, 2.5, 5, 10, 15, 20 мм
Terekhov V.I., Yarygina N.I., Zhdanov R.F. Heat transfer in turbulent separated flows in
the presence of high free-stream turbulence. 2003.
Терехов В.И., Ярыгина Н.И., Дьяченко А.Ю., Богатко Т.В. Интенсификация
теплообмена в каверне при наличии минитурбулизатора. 2010г.
Neumann J., Wengle H. DNS and LES of Passively Controlled Turbulent BackwardFacing Step Flow. 2003.
Park H. et al. Mixing enhancement behind a backward-facing step using tabs. 2007.
Miau, J.J. et al. Control of separated flow by a two-dimensional oscillating fence, 1991.
19

20.

Теплообмен в круглой трубе с внезапным расширением
при наличии дополнительного интенсификатора
h_dfg=0.01 м; x_0=0.1 м
S_dfg=0, 0.05, 0.1, 0.15 м
Координаты в метрах
S_dfg=0.1 м; x_0=0.1 м;
h_dfg=0, 0.0025, 0.005, 0.01, 0.015, 0.02 м
Координаты в метрах
Координаты в метрах
Координаты в метрах
Относительные характеристики потока: координата точки присоединения; максимальный
коэффициент теплоотдачи; координата Nu max
20

21.

Теплообмен в круглой трубе с внезапным расширением
при наличии дополнительного интенсификатора
а)
б)
Распределение локального коэффициента теплоотдачи на стенке
после внезапного расширения
а) Вариация расположения интенсификатора; б) Вариация высоты интенсификатора
21

22. Основные выводы

Получены новые данные для течения в трубе при наличии диафрагм различной конфигурации.
Представленные результаты позволяют сделать вывод о том, что наиболее приемлемыми формами
интенсификаторов являются диафрагмы сегментообразного сечения и поперечная канавка.
Отношение прироста теплоотдачи к гидравлическим потерям меньше 1 только для поперечной
канавки сегментообразного сечения, что делает её использование наиболее целесообразным в
плане теплогидравлической эффективности.
Впервые изучено влияние толщины динамического и теплового пограничных слоёв на
гидродинамические характеристики потока и теплообмен в трубе с внезапным расширением.
Показано, что в отличие от безотрывного течения, предыстория потока играет существенную роль
при отрыве, присоединении и дальнейшем развитии потока. Установлено, что увеличение
толщины динамического пограничного слоя приводит к увеличению размеров рециркуляционной
области, и к снижению интенсивности теплообмена. При наличии теплового пограничного слоя
теплообмен после внезапного расширения становится менее интенсивным. Получены
обобщающие зависимости степенного характера, которые рекомендуется использовать в
инженерных расчётах.
Выполнено систематическое исследование влияния степени расширения трубы и продольного
градиента давления на динамические характеристики потока и теплообмен после внезапного
расширения. Показано, что при увеличении данных параметров: теплообмен становится менее
интенсивным, координаты точек присоединения и Numax сдвигаются вниз по потоку.
Представлена корреляционная формула, которая позволит рассчитывать отрывное течение с
учётом степени расширения канала.
Изучен процесс взаимодействия отрывных потоков различных масштабов в трубе с внезапным
расширением. Установлено что дополнительный турбулизирующий элемент приводит к
кардинальным изменениям структуры рециркуляционной зоны, смещению точки присоединения
потока и, соответственно, к перераспределению коэффициентов тепломассоотдачи. Представлены
относительные характеристики течения, которые свидетельствуют о существенном влиянии, как
положения дополнительного турбулизатора, так и его высоты.
22