Экспериментальное изучение связи теплообмена с микроструктурой турбулентного потока в дискретно шероховатом канале

Проект направлен на углубление понимания механизмов интенсификации теплообмена и развитие методов прогнозирования гидродинамических и тепловых процессов в интенсифицированных по теплоотдаче каналах при турбулентном режиме течения. Объектом исследования являются дискретно шероховатые каналы с высотой элементов дискретной шероховатости порядка 1-2% от гидравлического диаметра канала. Для измерения распределения по длине канала локальных значений коэффициента теплоотдачи использовался разработанный участниками проекта новый метод измерений, оригинальность которого состоит в электрическом нагреве стенки и измерении ее температуры одним и тем же элементом, выполненным из тонкой металлической пленки с высоким температурным коэффициентом сопротивления. Исследование микроструктуры течения в пристеночной области канала выполнено с использованием нового оптического метода SIV. Впервые получена информация о пространственном распределении энергии турбулентных пульсаций компонент скорости в пристеночной области дискретно шероховатой стенки, спектрах и корреляционных функциях пульсаций, о масштабе турбулентности и динамике формирования вихревых структур при обтекании низких элементов дискретной шероховатости. Установлено, что при обтекании дискретной шероховатости в виде низких выступов на высоте вершин выступа в потоке формируются интенсивные вихри с интегральным масштабом 2…2.5h, под влиянием которых многократно увеличивается энергия пульсаций продольной компоненты скорости потока в соответствующем интервале частот пульсаций. Относительная частота следования вихрей, нормированная по шагу между выступами, имеет порядок 1. Именно к интенсивным пульсациям скорости потока с относительной частотой порядка 1 весьма чувствительны гидродинамические и тепловые процессы в отрывной области. Установлено, что крупномасштабные вихревые структуры в следе за низким выступом формируются в фазе ускорения локального потока, обтекающего выступ. Выявлено, что при числе Рейнольдса Re>400, вычисленном по локальной скорости потока на высоте выступа, в следе за выступом формируется развитая область возвратного течения, а значение Re<100 можно принять за условие обтекания элементов дискретной шероховатости, близкого к безотрывному. Получены и обобщены экспериментальные данные по пространственному распределению энергии турбулентности в пристеночной области дискретно шероховатого канала. Установлено, что в ближнем следе за выступом преобладает генерация турбулентности с выраженным максимумом в сдвиговом слое. Ниже по потоку начинает преобладать диссипация турбулентности, преимущественно вблизи стенки. Роль конвективного переноса турбулентности в пристеночной области относительно невелика. Об этом же свидетельствует быстрое затухание пространственно-временных корреляций пульсаций скорости в пристеночной области дискретно шероховатой стенки. Получено критериальное соотношение для теплоотдачи для оптимальной геометрии низкой дискретной шероховатости в канале. Выявлена связь коэффициента теплоотдачи со структурой потока и характеристиками турбулентности в пристеночной области теплообменной поверхности с элементами дискретной шероховатости в виде низких поперечных выступов. Установлена тесная связь теплообмена с пульсациями нормальной к стенке компоненты скорости, обобщенная в виде количественной зависимости числа Стантона от нормированных среднеквадратичных пульсаций этой компоненты. Анализ полученных данных позволил несколько глубже понять причины более высокой эффективности теплообменных поверхностей с относительно низкими элементами дискретной шероховатости, связанные с кардинальной перестройкой структуры потока в пристеночной области: вместо характерной для высоких выступов выраженной отрывной области за выступом при обтекании дискретной шероховатости в виде низких поперечных выступов реализуется существенно нестационарное течение, в котором непосредственно за выступом формируются вихри масштаба порядка 2-3 высот выступа, периодически выносящиеся во внешний поток.