Аномальная интенсификация теплообмена при отрывном обтекании зигзагообразного плотного пакета наклонных канавок на стенке канала при различных температурных граничных условиях

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Детально анализируется быстрое развитие аномальной интенсификации отрывного турбулентного (при Re = 6000) течения воздуха и теплообмена в коридорном однорядном пакете из 31 наклонной канавки относительной глубиной 0.2 на выделенном продольном участке стенки узкого канала, вызванное интерференцией вихревых следов за канавками и ускорением в ядре канального потока с формированием зоны ультравысокой продольной скорости. Стабилизация волнообразных характеристик происходит примерно к 15-й канавке, в затем наблюдается умеренное снижение амплитуд колебаний. Возвратные токи в канавках по мере их удаления от входного сечения усиливаются, при этом минимальное отрицательное трение уменьшается от –2 до –4. Суммарная относительная теплоотдача структурированного участка растет при q = const примерно в 2.٧5 раза, а при T = const – в 2 раза при увеличении относительных гидравлических потерь в 1.7раза по сравнению с плоскопараллельным каналом. Относительная теплоотдача от поверхности, ограниченной контуром 20-й наклонной канавки, достигает 3.7(q = const) при 2.2 росте гидравлических потерь. В канале наблюдается увеличение локального максимума продольной скорости в 1.5 раза в сравнении со среднемассовой скоростью.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

С. А. Исаев

Санкт-Петербургский государственный морской технический университет; Санкт-Петербургский государственный университет гражданской авиации им. Главного маршала авиации А.А. Новикова

Автор, ответственный за переписку.
Email: isaev3612@yandex.ru
Россия, Санкт-Петербург; Санкт-Петербург

О. О. Мильман

Научно-производственное внедренческое предприятие “Турбокон”

Email: isaev3612@yandex.ru
Россия, Калуга

А. А. Клюс

Санкт-Петербургский государственный университет гражданской авиации им. Главного маршала авиации А.А. Новикова

Email: isaev3612@yandex.ru
Россия, Санкт-Петербург

Д. В. Никущенко

Санкт-Петербургский государственный морской технический университет

Email: isaev3612@yandex.ru
Россия, Санкт-Петербург

Д. С. Хмара

Санкт-Петербургский государственный морской технический университет

Email: isaev3612@yandex.ru
Россия, Санкт-Петербург

Л. П. Юнаков

Балтийский государственный технический университет “ВОЕНМЕХ” им. Д. Ф. Устинова

Email: isaev3612@yandex.ru
Россия, Санкт-Петербург

Список литературы

  1. Жукаускас А., Макарявичус В., Шланчяускас А. Теплоотдача пучков труб в поперечном потоке жидкости. Вильнюс: Минтис, 1968. 192 с.
  2. Isaev S.A., Leontiev A.I., Zhukova Yu.V., Baranov P.A., Gotovskii M.A., Usachov A.E. Numerical simulation of vortex heat transfer enhancement in transformer oil flow in a channel with one-row spherical dimples // Heat Transfer Research. 2011. V. 42. I. 7. P. 613–628.
  3. Исаев С.А., Леонтьев А.И., Готовский М.А., Усачов А.Е., Жукова Ю.В. Анализ повышения теплогидравлической эффективности при движении трансформаторного масла в миниканале с однорядным пакетом сферических и овальных лунок на нагретой стенке // Теплофизика высоких температур. 2013. Т. 51. № 6. С. 884–890.
  4. Исаев С.А., Леонтьев А.И., Корнев Н.В., Хассель Э., Чудновский Я.П. Интенсификация теплообмена при ламинарном и турбулентном течении в узком канале с однорядными овальными лунками // Теплофизика высоких температур. 2015. Т. 53. № 3. С. 390–402.
  5. Исаев С.А. Генезис аномальной интенсификации отрывного течения и теплообмена в наклонных канавках на структурированных поверхностях // Известия РАН. Механика жидкости и газа. 2022. № 5. С. 13–24.
  6. Исаев С.А. Аэрогидродинамические механизмы интенсификации физико-энергетических процессов на структурированных энергоэффективных поверхностях с вихревыми генераторами // Теплофизика и аэромеханика. 2023. Т. 30. № 1. С. 83–88.
  7. Isaev S., Leontiev A., Milman O., Nikushchenko D., Egorova A. Energy-efficient surface of air capacitors with inclined single-row oval-trench dimples and protrusions // Journal of Physics: Conference Series. 2020. № 1565. Р. 012001. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1565/1/012001
  8. Исаев С.А., Леонтьев А.И., Мильман О.О., Никущенко Д.В., Попов И.А. Энергоэффективные поверхности с многорядными наклонными овально-траншейными лунками для воздушных конденсаторов // Известия РАН. Энергетика. 2020. № 4. С 3–10.
  9. Isaev S.A., Popov I.A., Mikheev N.I., Guvernyuk S.V., Nikushchenko D.V., Sudakov A.G. Promising dimple technologies of vortex heat and mass transfer enhancement in energy and microelectronics // Journal of Physics: Conference Series. 2020. V. 1675. No. 012004. 7 p. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1675/1/012004
  10. Isaev S.A., Guvernyuk S.V., Mikheev N.I., Popov I.A., Nikushchenko D.V. Numerical and experimental study of abnormal enhancement of separated turbulent flow and heat transfer in inclined oval-trench dimples on the plate and on the narrow channel wall // Journal of Physics: Conference Series. 2021. № 2039. Р. 012009. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2039/1/012009
  11. Isaev S.A., Popov I.A., Mikheev N.I., Guvernyuk S.V., Zubin M.A., Nikushchenko D.V., Sudakov A.G. Vortex heat transfer enhancement in the separated flow near structured dimpled surfaces // Journal of Physics: Conference Series. 2021. № 2057. Р. 012002. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2057/1/012002
  12. Isaev S.A., Mikheev N.I., Dushin N.S., Goltsman A.E., Nikushchenko D.V. and Sudakov A.G. Vortex heat transfer enhancement on energy-efficient surfaces structured by inclined trench dimples // Journal of Physics: Conference Series. 2021. № 2119. Р. 12016. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2119/1/012016
  13. Isaev S., Leontiev A., Gritskevich M., Nikushchenko D., Guvernyuk S., Sudakov A., Chung K.-M., Tryaskin N., Zubin M., Sinyavin A. Development of energy efficient structured plates with zigzag arrangement of multirow inclined oval trench dimples // Int. J. Thermal Sciences. 2023. V. 184. No.107988.
  14. Исаев С.А., Судаков А.Г., Никущенко Д.В., Харченко В.Б., Юнаков Л.П. Влияние граничных условий на моделирование аномальной интенсификации турбулентного теплообмена в наклонной канавке на стенке узкого канала // Известия РАН. Механика жидкости и газа. 2023. № 6. С. 38–47. EDN: RBCVPD. https://doi.org/10.31857/S1024708423600367
  15. Menter F.R. Zonal two equation k–ω turbulence models for aerodynamic flows // AIAA Paper. 1993. No. 93-2906. 21 p.
  16. Isaev S.A., Baranov P.A., Usachov A.E. Multiblock Computational Technologies in the VP2/3 Package on Aerothermodynamics; LAP LAMBERT Academic Publishing: Saarbrucken, Germany, 2013.
  17. Isaev S.A., Sudakov A.G., Baranov P.A., Zhukova Yu.V., Usachov A.E. Analysis of errors of multiblock computational technologies by the example of calculating a circulation flow in a square cavity with a moving cover at Re = 1000 // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 2013. V. 86. I. 5. P. 1134–1150.
  18. Jasak H. Error analysis and estimation for the finite volume method with applications to fluid flows. Thesis submitted for the Degree of Doctor of Philosophy of the University of London and Diploma of Imperial College of Science, Technology and Medicine, 1996. 394 p.
  19. Van Doormaal J.P., Raithby G.D. Enhancement of the SIMPLE method for predicting incompressible fluid flow // Numerical Heat Transfer. 1984. V. 7. No. 2. P. 147–163.
  20. Rhie C.M., Chow W.L. A numerical study of the turbulent flow past an isolated airfoil with trailing edge separation // AIAA J. 1983. V. 21. P. 1525–1532.
  21. Pascau A., Garcia N. Consistency of SIMPLEC scheme in collocated grids // Proc. V. European Conf. on Computational Fluid Dynamics ECCOMAS CFD 2010. Lisbon, Portugal, 2010. 12 p.
  22. Leonard B.P. A stable and accurate convective modeling procedure based on quadratic upstream interpolation // Comp. Meth. Appl. Mech. Eng. 1979. V. 19. No. 1. P. 59–98.
  23. Van Leer B. Towards the ultimate conservative difference scheme V. A second order sequel to Godunov’s method // J. Comp. Phys. 1979. V. 32. P. 101–136.
  24. Saad Y. Iterative methods for sparse linear systems. Society for Industrial and Applied Mathematics, Philadelphia, 2003. 567 p.
  25. Demidov D. AMGCL: C++ library for solving large sparse linear systems with algebraic multigrid method. http://amgcl.readthedocs.org/
  26. Исаев С.А., Гувернюк С.В., Никущенко Д.В., Судаков А.Г., Синявин А.А., Дубко Е.Б. Взаимосвязь аномальной интенсификации отрывного течения и экстраординарных перепадов давления в канавке на пластине при изменении угла наклона от 0 до 90° // Письма в журнал технической физики. 2023. Т. 49. Вып. 15. С. 39–42.
  27. Isaev S., Gritckevich М., Leontiev А., Popov I. Abnormal enhancement of separated turbulent air flow and heat transfer in inclined single-row oval-trench dimples at the narrow channel wall // Acta Astronautica. 2019. V. 163 (Part. A). P. 202–207.
  28. Isaev S.A., Leontiev A.I., Milman O.O., Popov I.A., Sudakov A.G. Influence of the depth of single-row oval-trench dimples inclined to laminar air flow on heat transfer enhancement in a narrow micro-channel // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2019. V. 134. P. 338–358.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Узкий канал с 31 наклонными канавками с системой декартовых координат x, y, z (а) и зигзагообразные коридорные пакеты канавок на стенке канала (б). Продольное сечение канавок в канале в серединах переходов от сферических сегментов к траншеям (в). Многоблочные расчетные сетки на структурированном участке стенки (г). 1 – подробная декартовая сетка, покрывающая канавки; 2 – криволинейная сетка О-типа в окрестности каждой канавки; 3 – косоугольная сетка-“заплатка”, наложенная на центральную зону канавки. Верхняя стенка канала не показана.

Скачать (309KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Сравнение распределений относительного трения f/fpl(x) в трех продольных сечениях канала (а) с 31 канавками и в укрупненных фрагментах во входном (б), среднем (в) и выходном (г) участках. Кривые: 1 – z = 1.245, 2 – (-1.245), 3 – 0.

Скачать (563KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Сравнение распределений перепада статического давления P–Ppl(x) в трех продольных сечениях канала (а) с 31 канавками и в укрупненных фрагментах во входном (б), среднем (в) и выходном (г) участках: z на кривых 1–3 – то же, что на рис. 2.

Скачать (507KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Сравнение проинтегрированных по поперечным (а, в–д) и продольным (б) полосам распределений Num/Numpl на нагретой стенке канала при граничных условиях q = const (1) и T = const (2). Укрупненные фрагменты Num/Numpl(х) соответствуют входному (в), среднему (г) и выходному (д) участкам канала.

Скачать (318KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Сравнение распределений локальных Nu/Nupl вдоль продольного сечения при z = 1.245 (а) для граничных условий q = const (1) и T = const (2). Укрупненные фрагменты Num/Numpl(х) соответствуют тем же участкам канала, что на рис. 4.

Скачать (489KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Сравнение распределений локальных Nu/Nupl вдоль продольного сечения при z = 0 (а) для граничных условий q = const (1) и T = const (2). Укрупненные фрагменты Num/Numpl(х) соответствуют тем же участкам канала, что на рис. 4.

Скачать (517KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Сравнение распределений локальных Nu/Nupl вдоль продольного сечения при z = –1.245 (а) для граничных условий q = const (1) и T = const (2). Укрупненные фрагменты Num/Numpl(х) соответствуют тем же участкам канала, что на рис. 4.

Скачать (474KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Сравнение поверхностных распределений относительного трения f/fpl (а–в) и перепадов относительного статического давления P–Ppl (г–е) для первой (а, г), 20-й (б, д) и 30-й (в, е) канавок.

Скачать (475KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Сопоставление поверхностных распределений относительного трения f/fpl (а), перепада давления P–Ppl (б) и относительной температуры Tw/Twpl (в) при q = const в срединном сечении выбранной канавки: 1 – 1-я; 2 – 5-я; 3 – 10-я; 4 – 15-я; 5 – 20-я; 6 – 25-я; 7 – 30-я.

Скачать (192KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Сравнение поверхностных распределений относительного числа Нуссельта Nu/Nupl при граничных условиях q = const (а–в) и T = const (г–е) для тех же канавок, что на рис. 8.

Скачать (490KB)
Метаданные
12. Рис. 11. Сопоставление распределений локальных относительных чисел Нуссельта Nu/Nupl(s) в срединных сечениях канавок (а, б) и проинтегрированных по поперечным и продольным полосам Num/Numpl вдоль продольной s (в, г) и поперечной t (д, е) координат выбранных канавок при граничных условиях q = const (а, в, д) и T = const (б, г, е): 1 – 1-я; 2 – 5-я; 3 – 10-я; 4 – 15-я; 5 – 20-я; 6 – 25-я; 7 – 30-я.

Скачать (364KB)
Метаданные
13. Рис. 12. Зависимости от продольных координат центров 1-, 5-, 10-, 15-, 20-, 25-, 30-й канавок относительной суммарной теплоотдачи Numm/Nummpl (маркированы круглыми точками) для поверхностей, ограниченных контурами выбранных канавок (кривые 1, 2), локальных гидравлических потерь участков с выбранными канавками (кривая 3, маркированная квадратными точками) и теплогидравлической эффективности ТГЭ выбранных локальных участков поверхностей (кривые 4, 5, маркированные ромбическими точками) при q = const (1 – красные точки) и T = const (2 – зеленые точки). Здесь же показана зависимость растущих перепадов статического давления ∆P (кривая 6 с круглыми точками), представленных в табл. 2.

Скачать (114KB)
Метаданные
14. Рис. 13. Трансформация профилей продольной составляющей скорости U(z) в продольных сечениях канала, соответствующих центрам выбранных канавок, при у = 0.5: 1 – 1-я; 2 – 5-я; 3 – 10-я; 4 – 15-я; 5 – 20-я; 6 – 25-я; 7 – 30-я.

Скачать (96KB)
Метаданные
15. Рис. 14. Эволюция профилей продольной составляющей скорости U(z, у) в продольных сечениях канала, соответствующих центрам выбранных канавок 1-й (а), 5-й (б), 10-й (в), 15-й (г), 20-й (д) и 30-й (е).

Скачать (248KB)
Метаданные
16. Рис. 15. Сравнение зависимостей от вертикальной координаты у декартовых составляющих скорости U (а, б), V (в), W (г), k (д), Reµt (е) в центрах сечений перехода от входных сферических сегментов к траншейных вставках выбранных канавок: 1 – 1-й; 2 – 5-й; 3 – 10-й; 4 – 15-й; 5 – 20-й; 6 – 25-й; 7 – 30-й. Графики на рис. 12б построены в крупном масштабе.

Скачать (327KB)
Метаданные
17. Рис. 16. Сравнение зависимостей от вертикальной координаты у декартовых составляющих скорости U (а), V (б), W (в), k (г), Reµt (д) в центрах траншейных вставок выбранных канавок: 1 – 1-й; 2 – 5-й; 3 – 10-й; 4 – 15-й; 5 – 20-й; 6 – 25-й; 7 – 30-й.

Скачать (311KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024