Аннотация результатов, полученных в 2014 году
В рамках реализации проекта выполнено экспериментальное исследование эффективности охлаждения импактной импульсной струей нагретой поверхности при использовании водо-спиртовых смесей в широком диапазоне изменения концентраций компонентов. Показано, что максимум теплоотдачи достигается при концентрации этанола в диапазоне К = 40-60%. Проделан комплекс экспериментальных исследований динамики течения центробежного псевдоожиженного двухфазного потока (газ -твёрдые частицы) в вихревой камере с торцевым завихрителем с использованием лазерно-доплеровского измерителя скорости (LDA) и системы диагностики поля течения (PIV). Показано, что при изменении скорости фильтрации от минимально возможной до значений, соответствующих началу разрушения слоя, происходит смена нескольких типов вращения воздушного потока. Проведен численный анализ структуры потока, распределения проекций вектора скорости и температуры потока по объёму вихревой камеры без псевдоожиженного слоя частиц с использованием 2D и 3D подходов. Установлено, что для заданного расхода воздуха трёхмерных эффектов, таких как прецессия вихревого ядра и двухспиральные вихри, не наблюдается. Результаты расчётов, полученные в двумерной постановке, хорошо соответствуют данным трёхмерного моделирования. Выполнено численное моделирование газокапельного отрывного турбулентного течения с помощью эйлерова и лагранжева описаний за внезапным расширением трубы. Показано, что в пристенной зоне испарение капель протекает наиболее интенсивно, и подавления турбулентности в этом случае практически не наблюдается. Уровень турбулентности близок к соответствующему значению в однофазном режиме течения. В ядре течения, где испарения практически нет, заметно снижение уровня турбулентности газа (до 15 % по сравнению с однофазным потоком). Проведены измерения коэффициентов давления и локальных коэффициентов теплоотдачи вниз при ускорении набегающего потока за счет градиентной вставки на потолке канала. Отрицательный градиент давления увеличивает коэффициенты давления в зоне отрыва и сокращает масштаб отрывной зоны. Разработана математическая модель и программное обеспечения для моделирования испарения/конденсации одиночной капли или группы монодисперных однокомпонентных капель. Установлено, что максимальная величина эффекта снижения давления в паровой фазе слабо зависит от степени дисперсности жидкой фазы и, в основном, определяется ее массовой долей и начальными параметрами пара. Выполнено экспериментальное исследование эволюции полей температуры воздушных потоков при движении воздуха в мини-каналах с периодически изменяющимся граничными условиями с учетом процессов испарения и конденсации водяного пара на стенках. Проведено экспериментальное исследование эволюции полей температуры в пористых материалах с фазовыми превращениями при сорбции-десорбции с применением метода инфракрасной термографии. Показаны значительные тепловые эффекты за счет сорбции влаги на пориcтой поверхности. Экспериментально исследована структура обтекания газом поверхности с углублениями в виде шестигранных сот с помощью 2D PIV методики. На ячеистой поверхности пограничный слой оттесняется от стенки и затем, по мере его дальнейшего продвижения, деформированная область распространяется на все большую часть пограничного слоя. В окрестности сотовой поверхности практически отсутствует участок с классическим логарифмическим законом распределения скорости. Выполнена модернизация экспериментального стенда, совершенствование методики измерения, проведение тестовых опытов и сопоставление с известными данными других авторов по исследованию структуры течения и теплопереноса в нестационарных импактных струях.

Аннотация результатов, полученных в 2015 году
Проведено экспериментальное и численное исследование течения за уступом в расширяющемся канале. При увеличении угла расширения канала коэффициент давления возрастает, а максимум коэффициента теплоотдачи снижается по сравнению с безградиентным течением на 30%. Получены корреляционные соотношения для максимальных коэффициентов теплоотдачи в зависимости от параметра Кейса. При увеличении числа Рейнольдса возрастает не только абсолютное значение Numax, но и угол наклона линий, описывающих опытные данные. Экспериментально изучен процесс интерференции отрывных потоков различных масштабов. Показано, что определяющую роль в формировании отрывных потоков играют местоположение малой преграды, ее высота и тип турбулизатора. При попадании точки присоединения от малой преграды в область основного вихря слой смешения взаимодействует с основным отрывным потоком и сокращает область рециркуляции. За вихревым генератором значение коэффициента теплоотдачи возрастает по сравнению со случаем его отсутствия. Наибольшее влияние малой преграды на теплообмен имеет место для высоких преград, находящихся вблизи кромки уступа. При удалении преграды от уступа влияние мини ребра ослабевает, а при S/H > 10 перестает быть заметным. Выполнено экспериментальное исследование теплообмена при взаимодействии нестационарной импактной круглой струи с плоской поверхностью в области точки торможения. Проанализировано влияние частоты и амплитуды возмущений на тепловые процессы струйного взаимодействия. Установлено, что зависимость коэффициента теплоотдачи от частоты менее значительна и коррелирует с распределением теплового потока от частоты. Величина среднего значения теплоотдачи в лобовой точке потока в зависимости от расстоянии до преграды имеет экстремум в области h/d = 2, что согласуется с данными для стационарных импактных струй. Проведено численное моделирование структуры течения и тепломассопереноса закрученного двухфазного потока в эйлеровом подходе. В закрученных потоках образуется две рециркуляционные области. За внезапным расширением трубы при отсутствии закрутки присутствует вторичный угловой вихрь, которого нет в закрученном потоке. В пристенной части трубы за счет внезапного расширения цилиндрического канала формируется область рециркуляции с последующим присоединением двухфазного течения. Показано, что добавление капель приводит к заметному росту теплообмена (почти в 1.75 раз в сравнении с однофазным воздушных закрученным течением). Положение точки максимума теплоотдачи в закрученном потоке (S = 0.5), примерно совпадающее с точкой присоединения потока, сдвигается вверх по потоку (практически в 2 раза по сравнению с незакрученным потоком при S = 0). Это говорит о значительном сокращении длины отрывной области в закрученном течении. Для сопоставлений в случае газокапельного закрученного потока за внезапным расширением трубы были использованы результаты LES расчетов Sanjose et al. (Int. J. Multiphase Flow, 2011) и экспериментов Garsia-Rosa (Ph.D. Thesis, 2009). Для проведения экспериментальных работ по исследованию вихревого двухфазного потока было спроектировано и изготовлено несколько рабочих участков, предназначенных для проведения диагностики течения жидкости в двухфазной среде. Измерения компонент скорости потока проводились с помощью лазерной доплеровской измерительной системы «Поток-3». Распределение интенсивности пульсаций скорости повторяет периодическую структуру распределения средней скорости. В упаковке с неподвижными частицами скорость не меняет знака, что свидетельствует о безотрывном обтекании. Появляются области вихревого движения с характерной сменой знака компонент средней скорости. Численное моделирование показало, что уменьшение площади проходного сечения щелей при известном массовом расходе, кроме увеличения скорости потока на выходе из щели, приводит еще и к существенному уменьшению эффективного угла закрутки потока. Так, для исследуемой вихревой камеры, вдув воздуха через щелевой завихритель с геометрическим углом закрутки 45º и площадью проходного сечения 2% от площади боковой поверхности приводит к эффективному углу закрутки потока 1.7º. Уменьшение эффективного угла закрутки потока по сравнению с геометрическим приводит к росту потерь давления в камере в 5-8 раз и к кардинальной перестройке течения. Представлены результаты экспериментов, полученные при исследовании особенностей гидродинамики и теплообмена пленки жидкости, образованной в результате подачи на слабо нагретую вертикальную поверхность размерами 140х140 мм капельных импульсных струй в спутном импактном газовом потоке. Центральная область импактной поверхности покрыта пленкой, толщина которой зависит от интенсивности орошения и динамический режим соответствует течению, которое возникает при взаимодействии многоструйного импактного потока воздуха в пристенной области. Для режима с толстой ламинарной пленкой жидкости между пленкой и охлаждаемой поверхностью происходит сложный процесс теплообмена, связанный, по крайней мере, с тремя факторами: с возникновением температурного градиента в пристенном ламинарном слое пленки, текущей вдоль охлаждаемой поверхности, с термокапилярной конвекцией, возникающей из-за наличия градиента температуры на границе жидкость – твердая поверхность, а также с «ударной» турбулизацией слоя жидкости крупными каплями, которая интенсифицирует теплоотдачу. Значительный вклад в общий теплообмен вносит термокапиллярная конвекция за счет испарительного охлаждения в процессе формирования подвижной границы пленка - сухая поверхность. Градиент поверхностного натяжения приводит к разрыву пленки и образованию ручейков и капель. Высокий градиент температуры на границе раздела жидкость – твердая поверхность (термокапиллярная конвекция) при определенных удельных расходах приводит к разрыву пленочного покрытия в центральной и периферийной областях пристенного течения. Выполнено моделирование конденсации и испарения капель многокомпонентных жидкостей. Основное внимание было уделено оптимизации этих процессов. С этой целью детально изучалась инверсия потоков вещества при испарении капель. Отметим, что одним из важнейших факторов, определяющих температуру инверсии является интенсивность тепломассообмена на поверхности. Можно видеть, что на начальном этапе в сухом воздухе происходит постепенное испарение капли, тогда как в смеси с паром, наоборот, происходит конденсация пара. Затем процесс конденсации сменяется испарением, которое, как показали исследования, проходит более интенсивно, чем в сухом воздухе, так, что капля испаряется полностью в сухом воздухе и паровоздушной смеси за одинаковое время. Установлено, что определяемая таким образом температура инверсии практически не зависит от начального диаметра капли. Проведено сопоставление по динамике испарения капель н-гептана и н-декана и их смеси полученная в экспериментах Daif et al. (Exper Thermal Fluid Sci, 1999) и определенная согласно модели настоящей работы. В случае капли смеси гептана и декана, как и следует ожидать, сначала происходит испарение легкокипящего компонента (гептан), при этом наклон зависимости квадрата диаметра от времени близок к наклону, наблюдающемуся при испарении чистого гептана, тогда как по мере расходования последнего, наклон указанной зависимости приближается к соответствующему для испарения чистого декана. Для экспериментального исследование процесса испарения капель жидкости на проницаемой поверхности с помощью метода инфракрасной термографии был создан экспериментальный стенд, который включал в себя тепловизор, измерительные датчики температуры и влажности воздуха. Полученные экспериментальные данные показывают, что испарение капель воды происходило существенно медленнее капель спирта, как на гладкой, так и на пористой поверхности. С использованием метода инфракрасной термографии обнаружено, что при испарении спирта на поверхности капли наблюдались циркуляционные течения, а при испарении капли воды при тех же условиях подобные течения не наблюдались. В результате экспериментальных исследований обнаружено, что с увеличением температуры поверхности образца пористого материала время испарения капель жидкости одинакового размера существенно уменьшалось. Полученные экспериментальные данные по скорости испарения капель при вариации тепловых, динамических условий и жидкостей в настоящее время проходят этап обработки и обобщения. Разработана физическая модель и математическая формулировка постановки задачи теплообмена в мини-каналах регенеративного воздухо-воздушного теплообменника с периодически изменяющимся направлением воздушного потока. Результаты численных расчетов сопоставлены с результатами экспериментов. Получено удовлетворительное согласие с результатами экспериментов. Как показало сравнение, экспериментальные и расчетные профили демонстрируют одинаковый характер изменения температуры по времени с учетом изменения направления воздушного потока. Кроме того, установлена автомодельность безразмерной температуры от температуры наружного воздуха. Анализ результатов позволил верифицировать на экспериментальных данных физико-математическую модель работы теплообменника, а также компьютерные коды, с помощью которых производились вычисления, а также предложить инженерные методы оптимизации характеристик регенеративных теплообменников периодического действия. Разработаны физическая и математическая модели тепломассообменных ячеек прямого и косвенно-испарительного типов охлаждения воздуха в каналах. Анализ влияния исходных параметров на значения тепловой и влажностной эффективности позволяет сделать заключение, что эффект охлаждения в рассматриваемых тепломассообменных косвенно-испарительных ячейках может быть сопоставим с современными системами охлаждения, использующих парокомпрессионные холодильные машины. Другой положительной отличительной особенностью рассматриваемых испарительной ячеек является простота конструкции систем охлаждения, для организации работы которых требуется только лишь наличие вентиляторов низкого давления для продувки воздуха в тепломассообменных каналах.

Аннотация результатов, полученных в 2016 году
1. Получены результаты расчётно-экспериментального исследования по влиянию продольного градиента давления в прямоугольном канале с обратным уступом на аэродинамику и турбулентный теплоперенос в зонах отрыва, присоединения и релаксации течения. В рамках экспериментального исследования измерены поля давлений и коэффициентов теплоотдачи в рециркуляционной и релаксационной областях за резким расширением канала. Показано, что при изменении продольного градиента давления поведение отрывного потока за уступом значительно изменяется. Установлено, что для сужающегося канала с ростом градиента давления максимальное значение числа Нуссельта возрастает, а для расширяющегося - оно уменьшается. Положение максимального значения числа Нуссельта сдвигается вниз по току при расширении диффузора, и приближается к уступу при конфузорном течении. Сопоставление результатов расчёта с экспериментальными данными даёт хорошее соответствие, как для коэффициента давления Cp, так и для числа Нуссельта Nu. С помощью численного моделирования получены картины течения, поля скорости и температуры, которые наглядно демонстрируют изменение характеристик потока в зависимости от наложенного градиента давления. 2. При изучении тепловой и динамической картины взаимодействия кольцевой струи с преградой установлено, что в распределении теплового потока Q имеется два локальных экстремума: первый − вблизи лобовой точки, второй − примерно при r/d = 2. Такое распределение осредненного теплового потока характерно для обычных стационарных импактных струи при малых соотношениях h/d и низком уровне начальной турбулентности струи. Качественно аналогичное поведение демонстрирует и среднеквадратичное значение пульсаций теплового потока q. Здесь также имеется два максимума, причем первый заметно превосходит второй. Таким образом, имеется две области, где пиковые значения теплового потока максимальны. Установлено, что зависимость среднего значения коэффициента теплоотдачи в лобовой точке пластины от расстояния до преграды имеет экстремум в области h/d = 1.8−2.2. При вариации диаметра струи, среднее значение теплового потока наиболее чувствительно к гармоническим колебаниям в низкочастотном диапазоне 20−150 Гц. Также подтверждено, что амплитуда колебаний оказывает более сильное воздействие на средний теплообмен, чем модуляция частоты сигнала. Показано, что пиковые значения теплового потока очень важны и требуют измерений не только средних значений теплового потока, но и пульсаций теплового потока. Сопоставление результатов по тепловым характеристикам импактных нестационарных и стационарных струй показало, что по некоторым параметрам между ними существует аналогия (например, оптимальное расстояние h/d). 3. Установлено, что при обтекании потоком сотовой поверхности происходит кардинальная перестройка течения. В окрестности стенки формируется слой с высоким градиентом скорости, что вызывает сильный рост интенсивности турбулентных пульсаций и напряжений Рейнольдса. На ячеистой поверхности пограничный слой оттесняется от стенки и затем, по мере его дальнейшего продвижения деформированная область распространяется на все большую часть пограничного слоя. В итоге профиль становится менее заполненным и приближается к ламинарной зависимости. Большие размеры каверны позволили подробно исследовать характеристики течения над каверной. Построены профили скорости, пульсаций и рейнольдсовых напряжений. Показано, что поток в каверне сильно тормозится из-за отрывных зон, создаваемых стенками каверны, и максимальная “скорость проскальзывания” не превышает 0.05U0. 4. Показано что в режиме с нестационарным импактным многоструйным газокапельным потоком наблюдается значительное отличие течения по вертикальной поверхности гравитационной пленки. На поверхности теплообменника имеются области со слабым разнонаправленным течением и область с интенсивным волновым течением, которое направлено от центра к периферии. Термоанемометрические измерения у поверхности теплообменника (h = 7.5 мм) позволили в первом приближении определить «пристенные» скорости воздушного потока в «сухом» режиме по трем векторам: вертикальное направление к поверхности теплообменника и два ортогональных. В области исследования динамики жидкой пленки, образованной из выпавших из двухфазного потока капель жидкости, было показано, что в вытесненных к периферии потоках наблюдаются несколько различных видов трехмерных неустойчивостей, возникающих при малых числах Рейнольдса в различных зонах теплообменника. Выделены характерные зоны, где измерения показали слабое течение и отсутствие крупных волн. Кроме медленных волн регистратор показал наведенную пульсацию, что можно отнести к движению очень слабых медленных волн амплитудой dH = 0.06 мм от центра к краям теплообменника со скоростью V = (0 – 0.01) м/с, Re = (4 – 12) и частотой колебаний F = (0.2 – 1) Гц. Вне выделенных областей существуют устойчивые двух- и трехмерные волны малой амплитуды (dh ~ 0.05 мм) с поперечной модуляцией вдоль потока. 5. Закрученное газокапельное двухфазное течение за внезапным расширением трубы исследовано в опускном режиме течения. Результаты, полученные с применением эйлерова и лагранжева методов качественно подобны. Профили скорости, рассчитанные по этим двум подходам, отличаются незначительно. Есть небольшие отличия (не более 10-15%) в приосевой и пристенной зонах трубы. По лагранжеву подходу на оси трубы концентрация частиц получается несколько выше, чем в эйлеровом методе и соответственно в пристенной области их количество по лагранжевому описанию получается меньше чем по эйлерову подходу. Показано значительное увеличение концентрации дисперсной фазы в приосевой зоне трубы в закрученном потоке с ростом параметра закрутки (более чем в 2 раза в сравнении с незакрученным отрывным потоком). Причиной этого являются действие центробежных сил и силы турбулентной миграции частиц (турбофорез). Для сопоставления для случая газодисперсного потока с твердыми частицами при отсутствии межфазного теплообмена были использованы известные экспериментальные данные Sommerfeld and Qiu (Int. J. Heat Fluid Flow, 1991). Расчеты по обоим подходам дают несколько меньшую величину скоростей фаз, чем данные измерений для частиц. Сравнение эйлерова и лагранжева методов показывают, что оба метода хорошо согласуются с данными измерений (отличие не превышает 10−15%). В целом можно отметить, что лагранжев метод несколько завышает значение скорости частиц в сравнении с эйлеровым описанием. 6. В приближении модели взаимопроникающих жидкостей проведены численные исследования динамики течения воздуха в вихревых камерах с торцевым завихрителем при наличии псевдоожиженного слоя частиц инертного материала различной массы. Получено, что конфигурация слоя при массе частиц 120 г, полученная с использованием модели Рейнольдсовых напряжений, существенно отличается от остальных случая расчета турбулентности по k−ω SST Menter. Частицы распределены по всей площади нижнего торца; вращающиеся над завихрителем слои собраны в два жгута, разделённых потоком воздуха. Существенная часть частиц находится в приосевой области и не участвует в вихревом движении. Отличие в результатах расчётов свидетельствуют о существенном влиянии анизотропии турбулентности на осреднённое течение воздуха и дисперсной фазы в вихревой камере при малой массе слоя. Видно, что при массе слоя 120 г окружная скорость воздуха в слое может достигать 20% от максимальной скорости воздуха в объёме. Расчёты, выполненные с использованием RSM модели турбулентности, дают меньшее сопротивление псевдоожиженного слоя, хотя при этом средняя окружная скорость воздуха в объёме камеры близка к полученной по модели Ментера. Наибольшее отличие в расчётах по разным моделям наблюдается в приосевой области вихревой камеры. В этой зоне различие в нормальных компонентах Рейнольдсовых напряжений, определяющих кинетическую энергию турбулентности, наибольшее. В надслоевом пространстве наибольший вклад в кинетическую энергию турбулентности вносят пульсации радиальной компоненты вектора скорости. В основном объёме камеры турбулентность носит изотропный характер, что подтверждается одинаковым уровнем кинетической энергии турбулентности, полученным в этой области по различным моделям. При массе слоя 240 г максимум окружной скорости локализован вблизи верхнего торца и вдвое превышает окружную скорость в надслоевом пространстве. Область интенсивного уменьшения окружной скорости, характеризующаяся повышенным уровнем турбулентных пульсаций, при увеличении массы слоя также смещается к верхнему торцу камеры. По-видимому, этим эффектом можно объяснить повышенный вынос мелких частиц дисперсной фазы при увеличении массы слоя выше некоторого критического значения, который ранее наблюдался в экспериментах. 7. Анализ динамики испарения капель различных жидкостей и их смесей в воздух, влажность которого варьировалась от нуля до ста процентов, проводился на базе созданной на предыдущих этапах проекта модели и ее численной реализации, которая прошла тщательную верификацию. Основное внимание на данном этапе было уделено испарению капель метанола, этанола, ацетона и их смесей во влажный воздух. Отметим основные особенности испарения во влажный воздух. Во-первых, испарение на начальном этапе во влажном воздухе происходит быстрее, чем в сухом. Это обусловлено дополнительным притоком тепла в каплю за счет в теплоты конденсации водяного пара. По мере накопления воды внутри капли испарение замедляется и, при 100% влажности воздуха вообще прекращается. Это соответствует моменту полного испарения спирта, при этом капля содержит только воду. Во-вторых, несмотря на то, что полное испарение капли во влажном воздухе происходит медленнее, чем в сухом, переход в газовую фазу этанола при наличии водяного пара происходит быстрее. В определенном смысле этот факт является аналогичным явлению инверсии потоков при однокомпонентном испарении во влажный воздух, детально исследованном на предыдущем этапе проекта. Следует подчеркнуть, что смеси жидкостей, рассмотренные на данном этапе проекта, в подавляющем большинстве режимов существенно отличаются от идеальных растворов. Использование приближения идеального раствора качественно не меняет картину, однако может приводить к существенным количественным погрешностям. 8. Исследовано влияние влажности внутреннего воздуха на тепло- и массообменные процессы в регенеративном теплообменнике. В результате расчетов показано, что весь диапазон влажности внутреннего воздуха условно можно разделить на три участка. Первый участок «низкой» относительной влажности <30%, где фазовые изменения не происходили. Второй участок соответствует «умеренной» относительной влажности 30% - 80%. На этом участке происходили процессы испарения и конденсации влаги, но накопления влаги в теплообменной матрице не наблюдалось. Третий участок «высокой» влажности, где процессы конденсации преобладали над процессами испарения, и происходило накопление влаги в каналах теплообменной матрицы. Определены зависимости температурной и влажностной эффективности регенеративного теплообменника от относительной влажности внутреннего воздуха. Показано, что температурная эффективность теплообменника при «низкой» влажности внутреннего воздуха была достаточно высокой 0.82 и не зависела от влажности внутреннего воздуха. При «умеренной» и «высокой» влажности внутреннего воздуха с ее увеличением температурная эффективность теплообменника снижалась, а влажностная эффективность увеличивалась от 0 до 0.7.