Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В результате анализа доступных литературных данных (порядка сотни источников) было обнаружено, что результаты эксперимента для каналов, включающих от 10 до 30 поперечных прямых или наклонных ребер, содержат некоторые противоречия. В ряде работ показано, что величина теплоотдачи, осредненная на межреберном промежутке, становится постоянной после четырех межреберных шагов, в других работах отмечен монотонный рост теплоотдачи на значительно большем удалении от начала оребренного участка. Есть экспериментальные данные, когда теплоотдача продолжает падать с удалением от входа на расстояние превышающем десятикратное значение шага ребра. Содержащиеся в работах данные численного моделирования, выполненные для каналов с ограниченным числом ребер, отличаются той же неопределенностью, что и данные эксперимента. Кроме того, нет результатов с минимальным количеством неопределенностей, обусловленных влиянием входных и выходных условий, выбором расчетных сеток, моделей турбулентности и подходов к моделированию турбулентности. Поставлены и выполнены численные решения задач о пространственно-периодическом турбулентном течении и теплоотдаче в канале прямоугольного сечения с односторонним оребрением ребрами прямоугольного сечения, наклоненными к оси канала на углы 45 и 60 градусов. Основная ценность этих решений – универсальность, т.е. отсутствие зависимости от входных и выходных условий, задания начальных характеристик турбулентности и, поэтому, выделение влияния оребрения на интенсификацию теплоотдачи и увеличение сопротивления свободного от посторонних факторов. Получены критериальные зависимости для коэффициента гидравлического сопротивления и числа Нуссельта (при Pr = 0.7) от числа Рейнольдса в диапазоне 0.5е5…2е5. Вид зависимостей таков, что характер зависимости сопротивления приближается к зависимостям для местных сопротивлений, а характер зависимости теплоотдачи близок к зависимостям для гладких стенок. Данные расчета сопротивления весьма хорошо согласуются с данными эксперимента. Вполне удовлетворительное согласование получено и для уровня теплоотдачи, хотя тенденция эксперимента – ослабление интенсификации с ростом числа Рейнольдса, а тенденция численного моделирования периодического течения – усиление интенсификации с ростом числа Рейнольдса. Проанализирована роль вторичного течения в интенсификации теплоотдачи. Вторичное течение, не совпадающее по направлению с основным расходным течением, складывается из двух вихревых составляющих. Из-за наклонного к оси канала расположения ребро выступает в роли лопатки, стремящейся изменить направление течения и в пределе придать ему тот же угол закрутки, под которым установлено ребро. Таким образом, поток в канале приобретает общую (глобальную) закрутку. Максимальный угол закрутки достигается при очень большом числе наклонных ребер, установленных в канале, Такому очень большому (бесконечному) числу ребер отвечает модель периодического течения, использованная нами. Глобальный вихрь через деформацию поля скорости и увеличение пути, проходимого средой по каналу, вносит вклад в интенсификацию теплообмена на всех стенках канала. Вторая вихревая составляющая возникает при натекании основного потока на выступающую вперед кромку ребра. В условиях косого обтекания ребра вдоль кромки сворачивается вихрь, проникающий в межреберное пространство. Омывая плоскую стенку между ребрами, вихрь резко уменьшает термическое сопротивление среды и кратно (до двух – трех раз) увеличивает локальную теплоотдачу на участке стенки, к которой прилегает. Кромочный вихрь имеет то же направление закрутки, что и глобальный, поэтому после обтекания гладкой стенки между ребрами он захватывается глобальным вихрем, сливается с ним и увеличивает энергию его закрутки. Таким образом, канал с наклонным оребрением создает весьма специфическое вторичное течение, управление которым через геометрические параметры ребер представляется интересной задачей. Решение задачи об уже развитом периодическом течении в оребренном канале поставило вопрос о том, какой длины должен быть оребренный канал, чтобы в конце его сформировалось периодическое течение. В результате численного моделирования обнаружилось (здесь уместно перейти к размерным величинам), что даже в канале длиной 6 м с характерным поперечным размером 12 см, с 60-тью наклонными ребрами, установленными на одной стенке, периодического режима течения не наступает в диапазоне числа Рейнольдса от 1е3 (ламинарный режим) до 1е5 (глубоко турбулентный режим). В каждом из вариантов для турбулентного режима в канале обнаружились две зоны течения и теплообмена: ближняя к входу зона протяженностью порядка 20 межреберных сегментов и дальняя от входа зона протяженностью порядка 40 сегментов. В ближней зоне теплоотдача сначала плавно увеличивается, а затем начинает падать. В дальней зоне величина теплоотдачи, осредненной по межреберным участкам стенки ведет себя циклически, совершая не вполне упорядоченные долгопериодические (на протяжении порядка 10 сегментов), с большой амплитудой колебания около некоторого среднего значения, соотносящегося с тем, которое было получено в периодической задаче. Анализ картины вихревого течения показал, что в длинном канале с односторонним наклонным оребрением глобальный вихрь принимает довольно редкую форму стационарного спирального вихря, обнаруженного в 90-х годах новосибирскими теплофизиками в других условиях. Отмеченные циклические колебания теплоотдачи вызваны тем, что спиральный глобальный вихрь, постоянно подпитываемый кромочными вихрями (из-за чего, вероятно, он и принимает спиральную форму), периодически приближается и удаляется от оребренной стенки. Установлена точная корреляция между максимумами и минимумами теплоотдачи и местами наименьшего и наибольшего удаления вихря от оребренной стенки. Получено решение и начат анализ турбулентного течения и теплообмена в крутоизогнутом П-образном канале с плоскими стенками, на которых установлены наклонные ребра. Поведение теплоотдачи на прямых участках и распределения скорости в этой приближенной к практике конфигурации продемонстрировало особенности, которые были выявлены при решении предыдущих задач. Это относится к формированию и трансформации вторичного течения и к картине интенсификации теплоотдачи на оребренных стенках. Новый эффект вторичного течения – резкое сокращение зоны отрыва потока за резким поворотом на 180 градусов. Взаимодействие вторичных течений, обусловленных оребрением, с гидродинамическими явлениями на повороте потока представляет отдельную богатую эффектами задачу.