В работе выполнено численное исследование влияния на интенсивность теплообмена расположения сферических лунок в канале с градиентом давления. Выявлено, что шахматное расположение лунок показывает более высокие значения локальных коэффициентов теплоотдачи, чем коридорное расположение лунок.
Ключевые слова: теплообмен, лунки, шаг, расположение.
В системах обеспечения микроклимата основной задачей является повышение эффективности теплообменных аппаратов. Для этого используют интенсификаторы-лунки. Лунки имеют различную эффективность, которая зависит от их диаметра, глубины и расстановки на канале.
Было проведено численное исследование, как поведет себя теплообмен в канале с градиентом давления при наличии сферических лунок, расположенными в коридорном и шахматном порядке с разным шагом и диаметром. Разработана геометрия в бесплатном ресурсе Оnshape [1]. В качестве метода исследования использовался программный модуль Simscale [2]. Качество полученных результатов проверялось с помощью валидации. Валидация выполена сравнением с экспериментом К. М. Бодунова [3]. Результаты приведены в статье [4].
Рассмотрим теплообмен в канале с со сферическими лунками, расположенными в коридорном порядке с шагом S=0,5*D и S=1*D. (рис.1).
Рис. 1. Геометрия расчетной области с коридорным расположением лунок
Для каналов разным шагом были разработаны две сетки (рис.2) со свойствами Fine. Тип элемента — Hex-dominant automatic (only CFD).
Рис. 2. Расчетная сетка для канала с шагом S=1*D
Также был рассмотрен канал с лунками, расположенными в шахматном порядке с шагом S=0,5*D и S=1*D (рис.3). Сетки были посчитаны аналогично, как и для канала с лунками, расположенными в коридорном порядке.
Рис. 3. Геометрия расчетной области с шахматным расположением лунок
Условия моделирования:
Модель турбулентности k-omega SST, дно канала с лунками подогревалось q=500 Вт / м 2, Расчет был выполнен при Re=3000, 9000, 15000, скорость на входе в канал 0,68 м/с, 2,05 м/c, 3,41 м/ с соответственно, рабочее тело -воздух.
Результаты численного эксперимента обрабатывались в программном комплексе ParaView [5].
Были построены графики изменения локального коэффициента теплоотдачи по длине, средние значения критерия Стантона в зависимости от режима течения в канале.
Рис.4 Зависимость локального коэффициента теплоотдачи по длине канала при Re=3000:
1-для коридорного расположения лунок
2- для шахматного расположения лунок
Интенсивность теплоотдачи с шахматных расположением лунок изменяется от 15 до 4, с коридорным — от 12 до 3.
Рис.5 Зависимость локального коэффициента теплоотдачи по длине канала при Re=9000:
1-для коридорного расположения лунок
2- для шахматного расположения лунок
В результате исследования выявлено, что увеличение интенсивности турбулентности ведет к росту коэффициента теплоотдачи. Для шахматного расположения лунок коэффициент теплоотдачи принимает значения от 37 до 10, для коридорного — от 37 до 9.
Рис.6 Зависимость локального коэффициента теплоотдачи по длине канала при Re=15000:
1-для коридорного расположения лунок
2- для шахматного расположения лунок
Локальный коэффициент теплоотдачи для канала с коридорным и шахматным расположением лунок лежит в одном диапазоне от 55 до 13.
На рис.7 приведены результаты эффективности теплообмена в каналах с лунками в зависимости от скорости рабочего тела, и выявлено, что среднее значение критерия Стантона с увеличением числа Рейнольдса снижается, при этом при шахматном расположении лунок интенсивность теплоотдачи оказывается выше чем при коридорном.
Рис.7 Интенсивность теплообмена в зависимости от режима течения рабочего тела с шагом S=0,5*D:
1-для коридорного расположения лунок
2-для шахматного расположения лунок
Рис.8 Зависимость локального коэффициента теплоотдачи по длине канала при Re=3000 с S=1*D:
1-для коридорного расположения лунок
2- для шахматного расположения лунок
Рис.9 Зависимость локального коэффициента теплоотдачи по длине канала при Re=9000 с S=1*D:
1-для коридорного расположения лунок
2- для шахматного расположения лунок
Рис.10 Зависимость локального коэффициента теплоотдачи по длине канала при Re=15000 с S=1*D:
1-для коридорного расположения лунок
2- для шахматного расположения лунок
Рис.11 Интенсивность теплообмена в зависимости от режима течения рабочего тела с шагом S=1*D:
1-для коридорного расположения лунок
2-для шахматного расположения лунок
Рис.12 Зависимость локального коэффициента теплоотдачи по длине канала при Re=3000:
1-для коридорного расположения лунок с шагом S=0,5*D
2- для коридорного расположения лунок с шагом S=1*D
Рис.13 Зависимость локального коэффициента теплоотдачи по длине канала при Re=3000:
1-для шахматного расположения лунок с шагом S=0,5*D
2- для шахматного расположения лунок с шагом S=1*D
Заключение.
На интенсификацию теплообмена в канале с градиентом давления влияет не только наличие градиента, но и наличие и схема расположения сферических лунок. В результате исследования выявлено, что увеличение шага между лунками с 0,5*D до 1*D ведет к снижению интенсивности теплообмена на 22,2 %. Шахматное расположение лунок оказывается на 33,3 % эффективнее коридорного расположения.Текст статьи. Текст статьи. Текст статьи.
Литература:
1. Onshape. URL: https://www.onshape.com/.
2. Simscale. URL: https://www.simscale.com/.
3. Бодунов К. М. Влияние продольного градиента давления на интенсификацию теплообмена сфеерическими. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.07.05 — тепловых двигатели летательных аппаратов; 01.04.14 — теплофизика и молекулярная физика). Казань 1995
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/…
