В работе выполнено численное исследование и анализ интенсивности теплоотдачи в канале с неглубокими лунками при наличии градиента давления. Проведен анализ влияния геометрии лунок на интенсивность теплообмена и схемы их расположения для различных рабочих тел. В качестве метода исследования использовался облачный сервис Simscale, основанный на программном обеспечении OpenFoam.
Ключевые слова: интенсивность теплообмена, лунки, критерий Стантона.
Так как различная конфигурация лунок ведет к существенному изменению интенсивности теплообмена, что показано в численных [1] и экспериментальных работах [2], то встает вопрос о взаимном влиянии на теплообмен геометрии лунок и градиента давления в каналах, характерных для турбомашин и теплообменных аппаратов. В этой связи, в представленной работе проведен анализ влияния геометрии лунок на теплообмен в канале с градиентом давления.
Для того, чтобы выявить это взаимное влияние в качестве метода исследования выбран численный. В исследовании используется бесплатный облачный сервис [3], адекватность применения и достоверность которого доказана в работе [4]. В качестве исследуемых рабочих тел было выбрано два рабочих тела: воздух и вода, так как они являются наиболее распространенными в системах обеспечения микроклимата. Геометрия исследуемой области имела следующий вид (рис.1а, 1б, 1в, 1г). Для сравнения был использован гладкий канал, чтобы определить, нужны ли лунки для повышения эффективности.
Рис.1а Геометрия канала с коридорным расположением лунок
Рис.1б Геометрия канала с шахматным расположением лунок
Рис.1в Геометрия канала с подковообразными лунками
Рис.1г Геометрия гладкого канала
Для 4-х каналов были созданы 4 сетки (рис.2). Сетки создавались в облачном сервисе Simscale [3] со свойствами Fine. Сетки состояли из около 1 млн. расчетных элементов, с типом элемента — Hex-dominant automatic, используемым только при решении задач численной гидродинамики. Пример такой сетки показан на рис.2.
Рис.2. Расчетная сетка для канала с коридорным расположением лунок
В качестве условий моделирования принимаются следующие: рабочее тело — воздух и вода, скорость на входе 0,68 м/c и 2,05 м/c для каждого рабочего тела. Результаты расчета [5] представлены на рис.3,4,5,6.
Рис.3. Зависимость локального коэффициента теплоотдачи по длине канала при Re=3000 с рабочим телом вода:
1-гладкий канал
2-канал с подковообразными лунками
3-канал с коридорным расположением лунок
4- канал с шахматным расположением лунок
На графике видно, что наиболее эффективным будет канал с подковообразными лунками. Интенсивность теплоотдачи для этого канала будет принимать значения в диапазоне от 150 до 45.
Рис.4. Зависимость локального коэффициента теплоотдачи по длине канала при Re=9000 с рабочим телом вода:
1-гладкий канал
2-канал с подковообразными лунками
3-канал с коридорным расположением лунок
4- канал с шахматным расположением лунок
Как видно из рис. 3 и 4 с увеличением числа Рейнольдса возрастает значение коэффициента теплоотдачи. На рис. 5 показаны результаты исследования для всех типов рассмотренной геометрии при использовании воздуха в качестве рабочего тела.
Рис.5. Зависимость локального коэффициента теплоотдачи по длине канала при Re=3000 с рабочим телом воздух:
1-гладкий канал
2-канал с подковообразными лунками
3-канал с коридорным расположением лунок
4- канал с шахматным расположением лунок
Из рис. 5 видно, что значения локального коэффициента теплоотдачи значительно меньше чем при использовании в качестве рабочего тела воды.
Рис.6. Зависимость локального коэффициента теплоотдачи по длине канала при Re=9000 с рабочим телом воздух:
1-гладкий канал
2-канал с подковообразными лунками
3-канал с коридорным расположением лунок
4- канал с шахматным расположением лунок
Для анализа эффективности применения различных типов лунок было проведено сравнение среднего числа Стантона по критерию Рейнольдса для каждого рабочего тела. Результаты этого сравнения представлены на (рис.7,8)
Рис.7. Интенсивность теплообмена в зависимости от режима течения рабочего тела вода:
1- канал с подковообразными лунками
2- канал с коридорным расположением лунок
3- канал с шахматным расположением лунок
Наиболее эффективными оказались подковообразные лунки по сравнению со сферическими лунками различного расположения. Для воды интенсивность теплоотдачи для канала с подковообразными лунками в 1,5–5 раз больше чем для канала со сферическими лунками.
Рис.8. Интенсивность теплообмена в зависимости от режима течения рабочего тела воздух:
1- канал с подковообразными лунками
2- канал с коридорным расположением лунок
3- канал с шахматным расположением лунок
Вторым по эффективности будет канал с шахматным расположением лунок. А для воздуха интенсивность теплообмена в канале с подковообразными лунками будет в 1,2–2 раза больше, чем в канале со сферическими лунками.
Вывод: было проведено исследование, показавшее существенное влияние различной конфигурации лунок на теплообмен в канале с градиентом давления. Это оказалось характерно для различных рабочих тел. Наиболее эффективными по результатам расчета стали подковообразные лунки.
Литература:
1. Исаев С. А., Леонтьев А. И. Численное моделирование вихревой интенсификации теплообмена при турбулентном обтекании сферической лунки на стенке узкого канала //Теплофизика высоких температур. — 2003. — Т. 41. — №. 5. — С. 755–770.
2. Попов И. А., Махянов Х. М., Гуреев В. М. Физические основы и промышленное применение интенсификации теплообмена //Казань: Центр инновационных технологий. — 2009.
3. Simscale. URL: https://www.simscale.com/.
4. Азрумелашвили А. П., Цынаева А. А. Исследование влияния градиента давления на теплообмен в канале с одиночной лункой //Новые вопросы в современной науке. — 2018. — С. 5–10.
5. ParaView. URL: https://www.paraview.org/
