ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ И ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕННИКА С ДИФФУЗОРНЫМИ И КОНФУЗОРНЫМИ КАНАЛАМИ
Автор: Владимир Викторович Трифонов
Соавторы: А.И. Решмин, .Г. Лущик, С.Х. Тепловодский
Организация: НИИ механики МГУ имени М.В. Ломоносова, Москва
Проведены численные и экспериментальные исследования течения в кольцевом и коническом канале переменного сечения. Течение предполагалось безотрывным, поэтому рассматривались только небольшие углы наклона стенок канала. Для чисел Рейнольдса в диапазоне 3000-10000 рассчитаны профили скорости, энергии турбулентности, напряжений Рейнольдса и определяемые ими характеристики турбулентного теплообмена. Расчеты показали сильное влияние угла раскрытия канала на турбулентные характеристики потока. Увеличение интенсивности турбулентности в случае подвода тепла к стенке приводит к увеличению характеристик теплообмена. При использовании такого канала в теплообменном аппарате можно не применяя искусственную турбулизацию потока увеличить число Нуссельта и коэффициента аналогии Рейнольдса по сравнению с каналом постоянного сечения при тех же числах Рейнольдса.
Расчеты проведены с применением трёхпараметрической дифференциальной модели турбулентности [1], дополненной уравнениями для турбулентного переноса тепла, проведено численное исследование течения и теплообмена в кольцевом и коническом каналах с различной степенью расширения. В качестве теплоносителя рассматривался вода.
Показано, что в расширяющихся каналах (кольцевом и коническом) при всех рассмотренных изменениях угла раскрытия и чисел Рейнольдса основные характеристики теплообмена – число Нуссельта и коэффициент аналогии Рейнольдса – оказываются выше, чем в сужающихся каналах, при том же числе Рейнольдса. Это превышение возрастает с увеличением угла раскрытия.
С помощью численного моделирования были определены характеристики экспериментальной установки теплообменника с диффузорными каналами работающей по схеме с противотоком теплоносителей (т.е. направления потоков горячего и холодного теплоносителя в теплообменнике противоположны). Также в зависимости от положения вентелей-переключателей данная установка может работать в двух режимах, а именно диффузор в диффузоре или конфузор в конфузоре.
В работе представлены измеренные характеристики теплообмена для двух этих режимов, а также сравнения их с расчетными данными.
Интенсификация теплообмена в таком теплообменнике с диффузорными каналами достигается без заметного роста коэффициента трения. Это является принципиальным отличием рассмотренного способа интенсификации теплообмена от многих известных способов, где увеличение теплоотдачи достигается ценой значительного роста гидравлических потерь.
