Экспериментальное изучение теплоотдачи и кинематической структуры пульсирующего потока в диффузорных и конфузорных каналах

Осуществлено решение фундаментальной научной проблемы в области теплофизики и гидродинамики - выявление закономерностей тепловых и гидродинамических процессов в турбулентных пульсирующих течениях при наличии продольного градиента давления. Проведены исследования гидродинамических и тепловых процессов в плоских диффузорных, конфузорных и диффузорно-конфузорных каналах различной геометрии на пульсирующих режимах течения рабочей среды (воздуха). Пульсации потока создавались специальным узлом - пульсатором, в котором проходное сечение на выходе из канала периодически перекрывалось вращающейся заслонкой. Диапазоны частот наложенных пульсаций составили (0 - 200) Гц, относительных амплитуд скорости потока (0 - 1). Выполнены серии экспериментов по измерениям распределений осредненных по времени значений статического давления по длине каналов; по измерениям двумерных полей скорости в продольной центральной плоскости каналов оптическими методами (PIV, SIV); по измерениям теплоотдачи на стенке каналов при различных частотах наложенных пульсаций. Получены немонотонные распределения по частоте наложенных пульсаций перепадов давления на диффузорах, что может быть основанием для определения оптимальных и/или нежелательных режимов их работы. Также установлена немонотонность распределения скорости по длине диффузоров и конфузоров на пульсирующих режимах потока и возможность появления обратных токов в фазе замедления. Выявлено, что кинематическая структура пульсирующих потоков в исследуемых каналах довольно сильно различается в разных фазах наложенных пульсаций и отличается от структуры стационарного течения, а именно: в диффузорах с умеренным углом раскрытия на низких частотах профили скоростей имеют формы, различные в фазах ускорения и торможения: в фазе ускорения формы более наполненные, чем в фазе торможения потока; в начальной части диффузоров образуются вихри, которые приводят к местным ускорениям потока в фазах высоких скоростей; в диффузорах с большим углом раскрытия (отрывных диффузорах) образуются дополнительные вихревые структуры в средней части диффузора, которые также могут приводить к локальным ускорениям потока. Выявлено, что в выходной части конфузоров при определенных сочетаниях угла сужения и частоты пульсаций (выше определенных значений) образуются вихри, которые приводят к локальному торможению потока на выходе в фазах высоких скоростей. Тепловые эксперименты показали интенсификацию теплоотдачи в конфузорах на пульсирующих режимах течения воздуха. Максимальная интенсификация наблюдалась в конфузоре с максимальным углом сужения (15°) и диффузоре с минимальным углом раскрытия (6°) на частотах, близких к резонансному, и достигала 50% по сравнению со стационарными режимами. В остальных исследованных диффузорах коэффициент теплоотдачи на пульсирующих режимах оказался близким к соответствующим значениям коэффициента теплоотдачи стационарного режима.