Аномальная интенсификация вихревого теплообмена при отрывном обтекании воздухом наклонной канавки на нагретом изотермическом участке пластины

Обложка

Цитировать

Полный текст

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

Аннотация

Экспериментально и численно выявлена аномальная интенсификация теплообмена при турбулентном отрывном обтекании воздухом удлиненной канавки умеренной глубины на пластине, наклонённой под углом ٤٥° к набегающему потоку. Область исследования включала прямоугольный участок, нагретый до ١٠٠ °С насыщенным водяным паром. Число Рейнольдса менялось от ١٠3 до ٣×104. Методом градиентной теплометрии установлено двукратное — в сравнении с плоской пластиной – возрастание коэффициента теплоотдачи на дне канавки при числе Рейнольдса Re = 3×104. Относительное число Нуссельта для различных участков канавки определялось как в ходе физического эксперимента, так и расчетом на основе RANS-подхода с применением многоблочных вычислительных технологий и SST-модели в пакете VP٢/٣. Результаты удовлетворительно совпали в турбулентном режиме течения при Re = (5, 10 и 30)×103.

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

С. З. Сапожников

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

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

Д. В. Никущенко

Санкт-Петербургский государственный морской технический университет

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

В. Ю. Митяков

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

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

В. В. Сероштанов

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

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

Е. Б. Дубко

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

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

Список литературы

  1. 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. Vol. 163 (part. A). P. 202–207.
  2. Исаев С.А. Генезис аномальной интенсификации отрывного течения и теплообмена в наклонных канавках на структурированных поверхностях // Изв. РАН. Механика жидкости и газа. 2022. № 5. С. 13–24.
  3. 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.
  4. Isaev S.A., Schelchkov A.V., Leontiev A.I., Gortyshov Yu.F., Baranov P.A., Popov I.A. Tornado-like heat transfer enhancement in the narrow plane-parallel channel with the oval-trench dimple of fixed depth and spot area // Int. J. Heat and Mass Transfer. 2017. V. 109. P. 40–62.
  5. 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 ЖТФ. 2023. Т. 49. Вып. 15. С. 39–42.
  6. Зубин М.А., Зубков А.Ф. Структура отрывного обтекания цилиндрической каверны на стенке плоского канала // Механика жидкости и газа. 2022. № 1. С. 81–89.
  7. 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. № 107988.
  8. Sapozhnikov S.Z., Mityakov V.Yu., Mityakov A.V. Heatmetry: The Science and practice of heat flux measurement. Springer International Publishing, 2020. 209 p.
  9. Seroshtanov V., Gusakov A. Gradient heatmetry and PIV investigation of heat transfer and flow near circular cylinders // Inventions. 2022. № 7(3). Р. 80. https://doi.org/10.3390/inventions7030080.
  10. Sapozhnikov S.Z., Mityakov V.Y., Mityakov A.V., Gusakov A.A., Zainullina E.R., Grekov M.A., Seroshtanov V.V., Bashkatov A., Babich A.Y., Pavlov A.V. Gradient heatmetry advances // Energies. 2020. № 13. P. 6194. https://doi.org/10.3390/en13236194.
  11. ISO/IEC Guide 98-1:2009 – Uncertainty of Measurement – Part 1: Introduction to the Expression of Uncertainty in Measurement.
  12. Isaev S.A., Baranov P.A., Usachov A.E. Multiblock computational technologies in the VP2/3 package on aerothermodynamics. LAP LAMBERT Academic Publishing, Saarbrucken, 2013. 316 p.
  13. Van Doormaal J.P., Raithby G.D. Enhancement of the SIMPLE method for predicting incompressible fluid flow // Numerical Heat Transfer. 1984. V. 7. P. 147–163.
  14. Menter F.R. Zonal two equation k–ω turbulence models for aerodynamic flows // AIAA Paper. 1993. № 93. P. 21.
  15. Leonard B.P. A stable and accurate convective modeling procedure based on quadratic upstream interpolation // Comp. Meth. Appl. Mech. Eng. 1979. V. 19. № 1. P. 59–98.
  16. 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.
  17. 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.
  18. Pascau A., Garcia N. Consistency of SIMPLEC scheme in collocated grids. V European Conference on Computational Fluid Dynamics ECCOMAS CFD 2010. Lisbon, Portugal, 2010. 12 p.
  19. Saad Y. Iterative methods for sparse linear systems, 2nd ed., Society for Industrial and Applied Mathematics, Philadelphia, 2003. 567 p.
  20. Demidov D. AMGCL: C++ library for solving large sparse linear systems with algebraic multigrid method. http://amgcl.readthedocs.org/.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Фото теплофизического стенда (а) и схема экспериментальной установки с нанесенными размерами, мм.

Скачать (388KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Расчетный аналог экспериментальной теплоизолированной пластины с нагреваемым изотермическим участком с Т = 373 K, в центре которого располагается наклонная канавка (а), и многоблочная расчетная сетка из четырех фрагментов: 1 — внешняя декартовая сетка высотой 8.8; 2 — прилегающая к нагретому участку пристеночная сетка высотой 0.7; 3 — криволинейная согласованная с поверхностью канавки эллиптическая сетка О-типа; 4 — «заплатка» на центральную зону канавки (б).

Скачать (262KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Сравнительный анализ рассчитанных (1–6) и измеренных (7–10) относительных чисел Нуссельта Nu/Nupl(а) и перепадов статического давления P–Ppl (б) в характерном сечении перехода от входного сферического сегмента к цилиндрической траншее, а также профилей продольной составляющей скорости Q(у) в связанной системе координат (s, у, t) в центральной точке характерного сечения (в) при различных числах Рейнольдса. 1 — Re = 103; 2 – 5×103 (1, 2 — ламинарный режим); 3, 8 – 5×103; 4, 9 – 104; 5, 1 – 3×104; 6, 7 — 6.7×104 [5] (3–10 турбулентный режим).

Скачать (178KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Сравнение рассчитанных распределений относительного трения f/fpl (а, б) и перепада статического давления P–Ppl (в, г) в продольном срединном сечении канавки (а, в) и характерном сечении перехода от входного сферического сегмента к цилиндрической траншее (б, г) при различных числах Рейнольдса. 1 — Re = 103; 2 – 5×103 (1, 2 — ламинарный режим); 3 — 5×103; 4 — 104; 5 — 3×104 (3–5 — турбулентный режим).

Скачать (397KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Сравнение рассчитанных распределений осредненных по поперечным полосам относительных чисел Нуссельта Num/Numpl (а–г) вдоль (а, в) и поперек (б, г) контрольного участка с наклонной канавкой (а, б) и участка, ограниченного контуром канавки (в, г), при различных числах Рейнольдса, а также поле Nu/Nupl с нанесенной картиной растекания воздуха в окрестности канавки при Re = 3×104 (д). 1 — Re = 103; 2 – 5×103 (1, 2 – ламинарный режим); 3 — 5×103; 4 — 104; 5 — 3×104 (3–5 – турбулентный режим).

Скачать (682KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Зависимости от числа Re тепловой эффективности Numm/Nummpl 1, 2 и относительного лобового сопротивления Cx/Cxpl 3, 4 контрольного участка пластины с канавкой – 1, 3 и участка, ограниченного контуром канавки, — 2, 4.

Скачать (84KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024