Исследование теплопередачи круглых падающих струй

Внедрение: 2019  г.

Теплопередача круглых падающих струй исследовалась авторами статьи [1] в широком диапазоне чисел Рейнольдса (Re = 40‑21000). Рассматривалась струя, истекающая из профилированного сопла и длинной трубы, при постоянной температуре стенки и на расстоянии до препятствия h/d = 1‑20. В экспериментах при Re<3000 для истечения из трубы наблюдалось заметное увеличение теплоотдачи на 200‑400 % по сравнению со случаем, когда струя вытекает из сопла. При Re>3000 разница в теплоотдаче для двух вариантов формирования струи (из трубки и из сопла) асимптотически уменьшалась.

По утверждению авторов, для ламинарного и турбулентного режимов течения результаты численных расчетов согласуются с экспериментальными данными.

В статье проводится физическое и численное моделирование задачи. Воздух под давлением подается из магистрали и регулируется клапаном точной регулировки. Затем газ проходит через расходомер и через гибкий шланг попадает в рабочую зону. В качестве источника струи использовались: а) трубка; б) сопло. Использовались пленочные датчики теплового потока (ДТП) и термопары для измерения температуры. Датчики через усилитель были подключены к системе сбора данных E14‑140.

Численная часть работы основана на решении усредненных уравнений Навье‑Стокса и энергии, дополненных k‑ω моделью турбулентности.

На рисунке 1 (слева) представлены экспериментальные данные о среднем значении коэффициента теплоотдачи в критической точке. 

Рисунок 1. Зависимость коэффициента теплопередачи (слева) и степени турбулентности (справа) от числа Рейнольдса: 1 – сопло, 2 – трубка.

Для двух способов формирования ударных струй пульсации теплового потока существенно различаются (рисунок 2). 

Рисунок 2. Формирование турбулентных пятен в свободной струе углеводорода, истекающей из длинной трубы: без затяжки (слева), с затяжкой (справа).

Получены данные по теплообмену как в точке торможения, так и для произвольного радиуса нагреваемой пластины. Некоторые результаты расчетов показаны на рисунке 3.

Рисунок 3. Число Нуссельта в точке торможения при изменении числа Рейнольдса и расстояния между трубой и пластиной.

Сравнение экспериментальных и расчетных данных показано на рисунке 4. 

Рисунок 4. Сравнение экспериментальных и расчетных данных по теплоотдаче в точке торможения падающей круглой струи. Строки – численные исследования, точки – экспериментальные исследования (h/d = 20): 1 – трубная струя, 2 – сопловая струя.

Экспериментальные и численные исследования показали, что локальный теплообмен в набегающей струе существенно зависит не только от традиционных критериев подобия (Re, Pr, h/d, Tu), но и от способа формирования струи (истечение из сопла, трубы, отверстия). Подтверждена согласованность расчета и эксперимента при ламинарном и турбулентном режимах течения. В области ламинарно-турбулентного перехода такой согласованности не получено, что требует дальнейшего и более детального изучения.

Источник:
V.V. Lemanov et al 2019 J. Phys.: Conf. Ser. 1382 012021

Разработчик: Леманов В.В., Терехов В.В., Терехов В.И. (Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, Новосибирск)