Местное ускорение ламинарного потока и аномальная интенсификация теплообмена в канале с двумя рядами наклонных канавок

Обложка

Цитировать

Полный текст

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

Аннотация

Проведено экспериментальное и численное исследование аномальной интенсификации ламинарного отрывного течения и теплообмена в канале с двумя рядами из 26 плотно расположенных канавок под углом наклона ±135° при равномерном потоке на входе и изменении чисел Re от 1000 до 5500. Обоснованы локальное ускорение потока с достижением максимальной скорости порядка 1.8 и утончение пристеночного слоя с ростом продольной скорости, доходящей до величины 1.4 на расстоянии y = 0.005 от стенки при Re = 2500, над входными сферическими сегментами канавок. Установлена корреляция ускорения и аномальной интенсификации ламинарного отрывного течения и теплообмена. Отмечено, что при Re = 2500 минимальная величина относительного отрицательного трения доходит до –7, а относительная теплоотдача от структурированного участка канала при Re = 5500 достигает 4.6.

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

Д. В. Никущенко

Санкт-Петербургский государственный морской технический университет

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

Н. И. Михеев

ФИЦ КазНЦ РАН

Email: isaev3612@yandex.ru
Россия, Казань

Н. С. Душин

ФИЦ КазНЦ РАН

Email: isaev3612@yandex.ru
Россия, Казань

О. О. Мильман

ЗАО НПВП Турбокон

Email: isaev3612@yandex.ru
Россия, Калуга

А. А. Клюс

Санкт-Петербургский государственный университет гражданской авиации им. Главного Маршала авиации А.А. Новикова

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

Е. А. Осиюк

Санкт-Петербургский государственный университет гражданской авиации им. Главного Маршала авиации А.А. Новикова

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

Список литературы

  1. Gao J., Hu Z., Yang Q., Liang X., Wu H. Fluid Flow and Heat Transfer in Microchannel Heat Sinks: Modelling Review and Recent Progress // Therm. Sci. Eng. Progress. 2022. V. 29. P. 101203.
  2. Мильман О.О., Ананьев П.А. Сухие градирни и воздушно-конденсационные установки (обзор) // Теплоэнергетика. 2016. Т. 63. № 3. С. 3.
  3. Kalinin E.K., Dreitser G.A., Kopp I.Z., Myakotchin A.S. Efficient Surfaces for Heat Exchangers: Fundamental and Design. Begell House, 2002. 392 p.
  4. Dzyubenko B., Kuzma-Kichta Yu., Leontiev A., Fedik I., Kholpanov L. Intensification of Heat and Mass Transfer on Macro-, Micro-, and Nanoscales. Begell House, 2016. 630 p.
  5. Rashidi S., Hormozi F., Sunden B., Mahian O. Energy Saving in Thermal Energy Systems Using Dimpled Surface Technology – A Review on Mechanisms and Applications // Appl. Energy. 2019. V. 259. P. 1491.
  6. Wei X.J., Joshi Y.K., Ligrani P.M. Numerical Simulation of Laminar Flow and Heat Transfer Inside a Microchannel with One Dimpled Surface // J. Electronic Packaging. 2007. V. 129. P. 63.
  7. Xu M., Lu H., Gong L., Chai J.C., Duan X. Parametric Numerical Study of the Flow and Heat Transfer in Microchannel with Dimples // Int. Commun. Heat Mass Transfer. 2016. V. 76. P. 348.
  8. Park D.S. Experimental and Numerical Study of Laminar Forced Convection Heat Transfer for a Dimpled Heat Sink. Thesis of Master of Science. Texas A&M University, 2007. 60 p.
  9. Bi C., Tang G.H., Tao W.Q. Heat Transfer Enhancement in Mini-channel Heat Sinks with Dimples and Cylindrical Grooves // Appl. Therm. Engng. 2013. V. 55. P. 121.
  10. Lu G., Zhai X. Analysis on Heat Transfer and Pressure Drop of a Microchannel Heat Sink with Dimples and Vortex Generators // Int. J. Therm. Sci. 2019. V. 145. P. 105986.
  11. Исаев С.А., Леонтьев А.И., Митяков А.В., Пышный И.А. Интенсификация смерчевого турбулентного теплообмена в асимметричных лунках на плоской стенке // ИФЖ. 2003. Т. 76. № 2. С. 31.
  12. 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 Mass Transfer. 2017. V. 109. P. 40.
  13. Isaev S.A., Leonardi E., Timchenko V., Usachov A.E. Vortical Investigation of Heat Transfer in Microchannels with Oval Dimples // Heat Transfer Res. 2010. V. 41. № 4. P. 413.
  14. Исаев С.А., Леонтьев А.И., Готовский М.А., Усачов А.Е., Жукова Ю.В. Анализ повышения теплогидравлической эффективности при движении трансформаторного масла в миниканале с однорядным пакетом сферических и овальных лунок на нагретой стенке // ТВТ. 2013. Т. 51. № 6. С. 884.
  15. Исаев С.А., Леонтьев А.И., Корнев Н.В., Хассель Э., Чудновский Я.П. Интенсификация теплообмена при ламинарном и турбулентном течении в узком канале с однорядными овальными лунками // ТВТ. 2015. Т. 53. № 3. С. 390.
  16. Исаев С.А., Грицкевич М.С., Леонтьев А.И., Попов И.А., Судаков А.Г. Аномальная интенсификация турбулентного отрывного течения в наклоненных однорядных овально-траншейных лунках на стенке узкого канала // ТВТ. 2019. Т. 57. № 5. С. 797.
  17. Исаев С.А., Баранов П.А., Леонтьев А.И., Попов И.А. Интенсификация ламинарного течения в узком микроканале с однорядными наклоненными овально-траншейными лунками // Письма в ЖТФ. 2018. Т. 44. Вып. 9. С. 73.
  18. Исаев С.А., Леонтьев А.И., Мильман О.О., Судаков А.Г., Усачов А.Е., Гульцова М.Е. Интенсификация теплообмена при ламинарном вихревом течении воздуха в узком канале с однорядными наклоненными овальными лунками // ИФЖ. 2018. Т. 91. № 4. С. 1022.
  19. Isaev S.A., Leontiev A.I., Milman O.O., Popov I.A., Sudakov A.G. Influence of the Depth of Single Row Oval-trench Dimples Inclined to Laminar Air Flow on Heat Transfer Enhancement in a Narrow Micro-channel // Int. J. Heat Mass Transfer. 2019. V. 134. P. 338.
  20. Исаев С.А., Леонтьев А.И., Мильман О.О., Никущенко Д.В., Попов И.А. Энергоэффективные поверхности с многорядными наклонными овально-траншейными лунками для воздушных конденсаторов // Энергетика. 2020. № 4. С. 3.
  21. Исаев С.А. Генезис аномальной интенсификации отрывного течения и теплообмена в наклонных канавках на структурированных поверхностях // МЖГ. 2022. № 5. С. 13.
  22. Михеев Н.И., Душин Н.С. Метод измерения динамики векторных полей скорости турбулентного потока по видеосъемке дымовой визуализации // ПТЭ. 2016. № 6. С. 1.
  23. Isaev S.A., Gritckevich M.S., Leontiev A.I., Milman O.O., Nikushchenko D.V. Vortex Enhancement of Heat Transfer and Flow in the Narrow Channel with a Dense Packing of Inclined One-row Oval-trench Dimples // Int. J. Heat Mass Transfer. 2019. V. 145. 118737.
  24. Исаев С.А., Баранов П.А., Усачов А.Е. Многоблочные вычислительные технологии в пакете VP2/3 по аэротермодинамике. Саарбрюкен: LAP Lambert Acad. Publ., 2013. 316 с.
  25. Van Doormaal J.P., Raithby G.D. Enhancement of the SIMPLE Method for Predicting Incompressible Fluid Flow // Numerical Heat Transfer. 1984. V. 7. № 2. P. 147.
  26. 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.
  27. Pascau A., Garcia N. Consistency of SIMPLEC Scheme in Collocated Grids // Proc. V European Conf. on Computational Fluid Dynamics ECCOMAS CFD 2010. Lisbon, Portugal, 2010. 12 p.
  28. 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.
  29. Saad Y. Iterative Methods for Sparse Linear Systems. 2nd ed. Society for Industrial and Applied Mathematics. Philadelphia, 2003. 567 p.
  30. Demidov D. AMGCL: C++ Library for Solving Large Sparse Linear Systems with Algebraic Multigrid Method. http://amgcl.readthedocs.org/
  31. 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.
  32. Isaev S.A., Kornev N.V., Leontiev A.I., Hassel E. Influence of the Reynolds Number and the Spherical Dimple Depth on the Turbulent Heat Transfer and Hydraulic Loss in a Narrow Channel // Int. J. Heat Mass Transfer. 2010. V. 53. № 1–3. P. 178.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Экспериментальный стенд КазНЦ РАН (а), структурированная поверхность канала с указанием размеров в мм (б), цифровой аналог (в) и с расчетной сеткой (г).

Скачать (214KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Сравнение расчетных прогнозов (сплошные линии) и экспериментальных замеров (точки) профилей продольной составляющей скорости U в центрах переходных сечений от траншейной части в центрах входного (R) и выходного (L) сферических сегментов, а также в центре 22-й канавки (С); штриховая линия – профиль скорости полностью развитого потока в плоскопараллельном канале; на вставке – векторное поле продольной составляющей скорости U в сечении у = 0.05 при Re = 1000.

Скачать (146KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Сравнение рассчитанных профилей продольной составляющей скорости U в ядре канального потока в середине 22-й канавки (точка С) при х = 55.5 для различных чисел Рейнольдса: (а) – Re = = 1000, (б) – 1500, (в) – 2000, (г) – 2500, (д) – 3500, (е) – 4500, (ж) – 5500.

Скачать (349KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Влияние Re на продольные распределения относительного трения f / fpl (а)–(г) и перепада статического давления P–Ppl (д), (е) в сечении z = –3.245, представленные на различных участках канала: 1 – Re = 1000, 2 – 1500, 3 – 2000, 4 – 2500.

Скачать (452KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Распределения скорости U в продольном сечении канала z = –3.245, иллюстрирующие локальное ускорение потока в ядре по мере отхода от входного сечения и проходящего через центры сечений стыковки сферических сегментов и цилиндрических траншей R, при Re = 1000 (а), 2500 (б), 5500 (в) и различных у: 1 – y = 0.005, 2 – 015, 3 – 0.025, 4 – 0.05, 5 – 0.1, 6 – 0.4, 7 – 0.6, 8 – 0.95.

Скачать (319KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Влияние Re на ускорение потока в канале при сравнении продольных распределений U-компоненты скорости при у = 0.005 в сечении с координатой точки R (см. рис. 3), z = -3.245 (а)–(в) и поперечных распределений в районе 22-й канавки при x = 55.5 и y = 0.4 (г): 1 – Re = 1000, 2 – 1500, 3 – 2000, 4 – 2500, 5 – 3500, 6 – 4500, 7 – 5500.

Скачать (397KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Влияние числа Рейнольдса на экстремальные величины продольной, вертикальной и трансверсальной составляющих скорости: 1 – Umax, 2 – (– Umin), 3 – Vmax, 4 – ( –Vmin), 5 – Wmax.

Скачать (92KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Влияние Re на продольное распределение Nu / Nupl(x) в сечении z = –3.245: 1 – Re = 1000, 2 – 1500, 3 – 2000, 4 – 2500.

Скачать (127KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Зависимости осредненных по поперечным полосам чисел Нуссельта Num / Numpl(x) (а), построенные в различных масштабах, и осредненных по продольным полосам чисел Нуссельта Num / Numpl(z) (б) при удалении от входного сечения с увеличением Re: 1 – Re = 1000, 2 – 1500, 3 – 2000, 4 – 2500.

Скачать (180KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Влияние Re на рост относительной теплоотдачи Numm / Nummpl (1) на структурированной стенке канала и увеличение относительных гидравлических потерь ζ / ζpl (2) в канале.

Скачать (71KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024