1-46 Е.В. Криницкий, А.Ю. Маскинская, В.П
advertisement
УДК 536.51.001.5 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ И РАСЧЕТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУР ПОВЕРХНОСТИ С СИСТЕМОЙ ЛУНОК С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕПЛОВИЗОРА Е.В. Криницкий, А.Ю. Маскинская, В.П. Мотулевич, Э.Д. Сергиевский Московский энергетический институт (ТУ), г. Москва Проведено экспериментальное и расчетное исследование температур на поверхностях с лунками. В работе рассмотрены: гладкая пластина без лунок, пластины с коридорным и шахматным порядком расположения лунок. Приведены тепловизионные картины, отображающие понижение температуры в нижней (по потоку) части лунки и непосредственно за ней. Приведены результаты численных расчетов, полученные с помощью вычислительного комплекса PHOENICS ( версия 3.5). Проведено сравнение результатов, полученных экспериментальным и расчетным способом . Ключевые слова Лунки, теплообмен, эксперимент, расчет, тепловизор. Условные обозначения Tw -температура стенки, К; Tв - осреднѐнная температура воздуха, К; Q – тепловой поток, Вт; F – площадь поверхности, м2; α – коэффициент теплоотдачи, Вт/м2*К; ΔPгл – перепад давления в гладком канале, Па; ΔPл - перепад давления в канале с лунками, Па. Введение Целью работы является исследование структуры течения и теплообмена на поверхности гладких пластин с полусферическими углублениями при обтекании воздушным потоком. Исследование теплообмена при обтекании сферических углублений на гладких исходных поверхностях представляет значительный интерес и имеет большое практическое значение, поскольку углубления и полости конструктивно встречаются на различных поверхностях теплообмена в различных системах нагрева, вентиляции и кондиционирования воздуха, в рекуператорах котлов и печей, лопатках газовых турбин и др. При обтекании полусферических углублений происходит структурные изменения пограничного слоя, что оказывает влияние на коэффициенты теплообмена и гидродинамического сопротивления теплообменных поверхностей [1]. В последнее время появилось ряд работ, в которых приведены распределения локальных коэффициентов теплообмена в различных направлениях на поверхности с лунками в канале при развитом течении и подводе постоянного теплового потока через одну из стенок[2-4]. В настоящей работе приведены результаты экспериментального и расчетного исследования локальных характеристик при развивающихся тепловых и гидродинамических слоев при подводе постоянного теплового потока через одну из стенок прямоугольного канала. 1. Экспериментальное исследование 1.1. Описание экспериментальной установки. Экспериментальное исследование проводилось на дозвуковой аэродинамической установке открытого типа, работающей на нагнетание. Схема установки[5] приведена на рис.1. Рис.1. Схема экспериментальной установки. Воздух из помещения нагнетается в рабочий участок экспериментальной установки, представляющей собой прямоугольный канал, центробежным вентилятором 1 ДВ-1КМ. Производительность вентилятора изменяется с помощью регулирования выходного напряжения выпрямителя ВСА-6К, подаваемого на электродвигатели вентиляторов, что позволяет изменять скорость потока от 2 до 5 м/с. Перед поступлением в канал воздух предварительно проходит через очистительные фильтры 2 по гибкому соединительному шлангу 3 в ресиверную емкость 4. Далее воздух поступает в предварительный участок подготовки воздуха 10, состоящий из спрямляющей решѐтки 5, набора выравнивающих сеток 6, 7, 9 с размерами ячеек 0.4х0.4 мм, изготовленных из проволоки диаметром 0.25 мм и хонейкомба 8. Хонейкомб состоит из трубок диаметром 2 мм и длиной 22 мм с толщиной стенки 0.1 мм и предназначен для выравнивания профилей скоростей. После предварительной подготовки воздух поступает в канал, под нижней поверхностью которого расположен электрический подогреватель. Электрический подогреватель был изготовлен из нихромовой спиральной проволоки. Спираль была помещена в специальные углубления, вырезанные для нее в текстолите, а для уменьшения утечек тепла в окружающую среду под текстолитовой пластиной была помещена еще одна пластина из текстолита высотой 15 мм. Для соблюдения электробезопасности, с боков электрический нагреватель был изолирован слюдой. Сверху нагревателя помещалась исследуемая пластина – тестируемая секция 11. Перемещение датчика осуществлялось с помощью автоматического координатного устройства 12, управляемого с помощью компьютера и блока измерительной аппаратуры13. Сменные пластины были изготовлена из сплава алюминия, с различными расположениями лунок: гладкая пластина (с размерами 275x40x10 мм ); пластина с двадцать семью полусферическими углублениями, расположенными в коридорном порядке из алюминия, представленная на рис.2 А; пластина с тридцати восемью полусферическими углублениями, расположенными в коридорном порядке из алюминия, представленная на рис.2 Б; пластина с восьмьюдесятью одним полусферическим углублением, расположенным в коридорном порядке из алюминия. Рис. 2. Геометрические размеры пластин с 27-ю и 38-ю лунками. 1.2. Методика проведения эксперимента. Исследования проводились при скорости воздуха на входе 2 и 5 м/c. К нижней части сменной пластины подводилось 50 Вт. Первоначально в эксперименте была исследована пластина без лунок. Для определения поля температуры на поверхности пластины Tw был использован тепловизионный комплекс ИРТИС-200. С целью правильного отображения тепловых полей, исследуемые пластины были зачернены. Для оценки правильности калибровки тепловизора на пластине были установлены хромель-копелевые термопары. В условиях проведения калибровки термопар температура свободных концов была равна 00C. Погрешность в диапазоне от 0-1000С составляла +/-2.50C. По результатам калибровки с образцовым ртутным термометром, максимальная поправка к показаниям поверяемым термопарам была равна 1.2 0С. Среднемассовая температура воздуха Tв измерялась с помощью выносной хромель-копелевой термопары, а профили скоростей с помощью термоанемометра TSI [5]. Было проведено сравнение экспериментальных данных в точках, расположенных на расстоянии 77.5, 112.5, 147.5, 182.5, 217.5 мм от переднего края пластины и по середине ширины с помощью термопар и тепловизионных измерений в соответствующих точках (рис.3). Рис. 3. Тепловизионная картина на пластине с термопарами. Термопарные измерения при скорости набегающего потока 5 м/c показали значения температур (47.760C, 47.76 0C, 49.220C, 49.220C и 49.220C). Тепловизионные показания в этих точках оказались равными температурам (490C, 49.20C, 49.80C, 490C и 49.90C). То есть термопарные и тепловизионные измерения хорошо согласуются. После проведения калибровки в канале были установлены пластины с 27, 38 и 81 лунками. В качестве примера в работе приведена тепловизионная картина с 81 лункой (рис.4). Из полученных экспериментальных данных видно, что на пластине образуются зоны с повышенными и пониженными температурами. В передней части лунки заметно повышение температуры, в то время как в задней части и за лункой температура уменьшается. Такая картина повторяется от лунки к лунке, также можно отметить, что на последней тепловизионной картинке виден эффект влияния предыдущих лунок на последующие. При качественном сравнении шахматного и коридорного расположения лунок обнаружено, что после лунки, расположенной в шахматном порядке остается небольшой холодный след, что указывает на необходимость выбрать более плотную компоновку лунок. Разница между максимальной и минимальной температурой поверхности в области типичной лунки составляла 5 градусов. Рис. 4. Тепловизионная картина для пластины с 81 лунками, расположенными в коридорном порядке. Тепловой поток являлся постоянной величиной, равной 50 Вт. Температура стенки была получена в результате тепловизионных измерений для гладкой и облуненной пластины. При наличии лунок осреднѐнная температура воздуха была выше, чем для гладкой поверхности вследствие выноса тепла из лунок. 2. Численное моделирование Параллельно экспериментальной работе проводились расчеты при геометрических и режимных параметрах близких к экспериментальным с использованием программы PHOENICS версии 3.5. Были созданы модели для канала с лунками и без них. Решались уравнения движения и энергии в 3-х мерной постановке. Результат решения сопряженной задачи при граничном условии Tw=220C на нижней части изоляции приведен на рис.5. Рис. 5. Распределение температуры по высоте нижней части рабочего участка (пластина из алюминия с 27-ю лунками). Для примера рассмотрим канал, на нижней поверхности которого установлена алюминиевая пластина без лунок и с 27 лунками, расположенными в коридорном порядке. Тепловой поток, подводящийся к пластинам, как и в эксперименте, составлял 50 Вт. В расчете была использована стандартная K-E модель турбулентности. Температура поверхности для алюминиевой пластины с лунками равна 430С, в эксперименте она составляла около 460С, что говорит о неплохом согласии результатов. Были также проведены расчеты для развитого режима течения. Для этого при расчетах высота канала была уменьшена до 1 см, и были проанализированы данные, полученные в результате численного моделирования. В итоге были получены результаты расчета для пластины, изготовленной из алюминия и асбеста. Сравним полученные результаты с данными при изменении материала сменной пластины. Если нижняя пластины обладает низкой теплопроводностью, например асбест, то тогда распределение температуры по высоте канала будет иным (рис.6). Рис. 6. Распределение температуры по высоте нижней части рабочего участка (пластина из асбеста с 27-ю лунками). Для 27 лунок при скорости набегающего потока 5 м/c в качестве типичной была взята средняя лунка в 8 ряду по потоку воздуха. Для нее в нескольких сечениях, одно из них представлено на рис.7 было получено отношение коэффициентов теплоотдачи поверхности с лунками к гладкой по ширине и длине рассматриваемой области лунки. Коэффициент теплоотдачи определялся по следующей зависимости: Q (1) F T w Tв В качестве примера приведем отношение коэффициентов теплоотдачи по ширине рассматриваемой области для сечения, находящегося на расстоянии 0.75.D от переднего края лунки. Для этого были использованы значения температур на поверхности пластин и осредненная температура воздуха в данном сечении. Для сечений, находящихся на расстоянии 0.25.D, 0.5.D, 0.75.D и за лункой были получены, а затем осреднены отношения коэффициентов теплоотдачи, которые соответственно равны: 1.344, 1.460, 1.383 и 1.725. Осредненное отношение коэффициента теплоотдачи в рассматриваемой области составляет 1.478. В качестве примера ниже приведѐн график распределения отношения коэффициента теплоотдачи для сечения 0.75.D. 0.75D от переднего края средней лунки 8 ряда 2 1,8 1,6 1,4 a/ao 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0,0252 0,0272 0,0292 0,0312 0,0332 0,0352 y, м Рис.7. Распределение отношения α/α0 по ширине пластины из асбеста для сечения 0.75.D от переднего края средней лунки х. С использованием специальной программы [6] был определѐн перепад давления в гладком канале и канале с лунками. В гладком канале ΔPгл = 3.34 Па, в канале с Pл лунками ΔPл = 4.267 Па. Их соотношение .1227 . Исходя из этого, виден Pгл опережающий рост коэффициента теплоотдачи. Из анализа расчетных значений векторов скоростей на различных расстояниях от поверхности лунки получено, что образуются два вихря с фокусами приближающимися к передней (по потоку) части лунки, которые выходят на срезе лунки под некоторым углом к центральной оси, что приводит к образованию зон присоединения и объясняют появление пониженных температур непосредственно за кромкой нижней (по потоку) части лунок. Расчеты, соответствующие экспериментам, показывают появление 2 симметричных вихря в центральном ряду лунок и выявляют зоны повышенного теплообмена на выходных участках лунок и прилегающих к ней областей, что совпадает с результатами эксперимента. Выводы Проведены экспериментальные и расчетные исследования поведения поверхности стенки, скоростей, температур и давления воздуха в канале при развивающихся гидродинамических и тепловых слоев при подводе тепла через одну из стенок прямоугольного канала. Получены распределения коэффициентов теплообмена в различных направлениях по поверхности с лунками и распределения давления. Показан опережающий рост коэффициента теплообмена по сравнению с ростом коэффициента сопротивления ( перепада давления). На основе решения сопряженной задачи показано влияние теплопроводности материала поверхности на распределение температуры поверхности и коэффициента теплообмена. Работа выполнена при поддержке гранта Президента РФ по поддержке ведущих научных школ №1415.2003.8. Авторы благодарят Власенко А.С., Медведева А.В. и Титову Л.Н. за помощь при проведении эксперимента и обработке результатов. Литература 1. G.I. Mahmood, M.L. Hill, D.L. Nelson, P.M. Ligrani, H.-K. Moon, and B. Glezer . Local Heat Transfer and Flow Structure On and Above a Dimpled Surface in a Channel., ASME Transactions-Journal of Turbomachinery, Vol. 123, No. 1, pp. 115-123, January 2001. 2. H.K. Moon, O’Connell and B.Glezer, Channel Height Effect on Heat Transfer and Friction in a Dimpled Passage, T. 99-GT-163, 1999 by ASME, pp.1-8 . 3. S.W. Moon, S.C. Lau Turbulent Heat Transfer Measurements on a Wall with Concave and Cylindrical Dimples in a Square Channel., GT-2002-30208, ASME TURBO EXPO 2002, June 3-6, 2002, pp.1-9. 4. N.K. Burgess, M.M. Oliveira, P.M. Ligrani. Nusselt Number Behavior on Deep Dimpled Surfaces Within a Channel. Journal of Heat Transfer, February 2003, Vol.125, pp.1-8. 5. Г.И. Кикнадзе, А.В. Медведев, Э.Д. Сергиевский. Экспериментальные исследования течения в одиночном полусферическом углублении на гладкой пластине при обтекании турбулизированным потоком. // Расчѐтные методы гидродинамики и теплопередачи в технологических процессах. Науч. Тр Вып. 252./ Межвуз. сб.- М.: МГУЛ, 1993. С. 104-111. 6. E. Sergievsky, E. Krinitsky, V. Travkin. Local parameters of longitudinal fins heat sink heating from below surface. Proceeding of Ninth International PHOENICS User Conference, Moscow, September, 2002.
