Обтекание поверхности с лунками. Структура турбулентного течения вблизи пластины с лунками

Лекция 4. Обтекание поверхности с лунками (II)

Как и для сферических лунок, увеличение глубины траншейной лунки сопровождается интенсификацией самоорганизующегося в ней смерчевого потока. Так, при D=0,06 образуется тонкая отрывная зона типа «пузыря» с практически заторможенным с наветренной стороны лунки пристеночным слоем. При умеренной  глубине лунки отрывная зона занимает большую площадь лунки и внутри ее образуется закрученное струйное течение, наклоненное по отношению к набегающему потоку под углом установки траншейной лунки. Далее с ростом D отрывная зона охватывает всю площадь лунки, т.е. линия присоединения потока практически совпадает  с границей лунки. И, наконец, начиная с некоторой глубины, за лункой образуются вторичные отрывные зоны.

При анализе теплогидравлической эффективности участка с траншейной лункой на плоской стенке  (рис.19) по мере заглубления лунки отмечается опережающий рост относительного коэффициента теплоотдачи по сравнению с увеличением гидравлических потерь, причем в диапазоне больших глубин (от 0,18 до 0,34) характеристики значения Nu/Nu_pl и x/x_pl растут линейно от D. Ориентация траншейной лунки оказывает существенное влияние на теплоотвод от поверхности с лункой. Для умеренной глубины лунки установлено, что при угле j ее наклона по отношению к набегающему потоку, равному 60^о, коэффициент относительной теплоотдачи максимален. На рис. 20 приведены некоторые из результатов по теплогидравлической эффективности лунок при изменении j от 30 до 90^о, т.е. до положения лунки, при котором она ориентируется поперек набегающего потока.

Рис.19. Влияние глубины траншейной лунки на относительные характеристики теплоотдачи и сопротивления Nu/Nu_pl, x/x_pl и (Nu/Nu_pl)/(x/x_pl)

Рис. 20. Влияние ориентации траншейной лунки (L=1; D=0,22; r=0,1) на отношения Nu/Nu_pl, x/x_pl и (Nu/Nu_pl)/(x/x_pl) . Re=10⁴

В целом, подтверждаются ранее сделанные выводы для лунок умеренной глубины. Угол наклона, равный 60^о, является предпочтительным, как по максимуму относительной теплоотдачи и наибольшей теплогидравлической эффективности. Минимум x/x_pl соответствует j=75^о.  Тепловая эффективность Nu/Nu_pl рельефа с оптимальным углом ориентации траншейной лунки больше на 10%, чем при поперечном ее расположении.

 Структура  турбулентного  течения вблизи пластины с лунками

Рассмотрим влияние системы лунок на поверхности на  теплообмен и структуру потока при различных конфигурациях облуненных каналов, используя результаты Лиграни.  Исследованная облуненная поверхность показана на рис. 21, а схема мгновенной структуры потока при ее обтекании – на рис. 22.

Рис.21. Схема облуненной поверхности (размеры даны в сантиметрах)

При обтекании мелкого полусферического углубления поток обычно является симметричным и возникает стабильная циркуляция.  Поток движется вдоль подковообразной вихревой линии, и при этом формируется спиралевидное течение.

(б)

Рис.22. Схема мгновенной структуры потока. Отношение высоты канала к диаметру лунки – 0,5, а отношение глубины к диаметру лунки – 0,2. Число Рейнольдса, определяемое по высоте канала, равно 1250

Из рис.23 можно видеть, как изменяется локальная теплоотдача, а из рис.24 – осредненная теплоотдача и коэффициенты трения облуненного и плоского канала в зависимости от числа Рейнольдса для различных отношений глубины лунки к диаметру лунки.

Рис. 23. Отношение локального числа Нуссельта облуненного канала к числу Nu₀ для гладкого канала в зависимости от X/D вдоль центральной продольной линии поверхности Z/D=0 ,   ---- - область лунки

Рис. 24. а – отношения осредненных чисел Нуссельта для облуненного и плоского канала; б – отношения коэффициентов трения облуненного и плоского канала в зависимости от числа Рейнольдса для различных отношений глубины лунки к диаметру лунки δ/D