ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ И ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕННИКА С СООСНЫМИ ДИФФУЗОРНЫМИ И КОНФУЗОРНЫМИ КАНАЛАМИ

Автор: Владимир Викторович Трифонов

Соавторы: А.И. Решмин, С.Х. Тепловодский

Организация: НИИ механики МГУ имени М.В. Ломоносова, Москва

Интенсификация теплообмена в каналах является предметом многочисленных исследований. Обычно это осуществляется при помощи искусственной турбулизации потока. Для этого используются турбулизаторы потока в канале, теплообменные поверхности со сложной структурой, отрывные течения и т.д. При этих методах увеличение гидравлических потерь на прокачку теплоносителя превышает увеличение интенсивности теплообмена.

Экспериментальные и численные исследования турбулентного течения в слаборасширяющихся конических (диффузорных) каналах при числах Рейнольдса от 1000 до 10000 показали, что в таких каналах интенсивность турбулентности заметно выше, чем в прямых каналах при тех же числах Рейнольдса. При этом гидравлические потери в гладких диффузорных каналах меньше, чем в каналах, где используется искусственная турбулизация потока. 

Проведенные расчеты с применением трёхпараметрической RANS-модели турбулентности [1], дополненной уравнением переноса для турбулентного потока тепла, показали сильное влияние угла раскрытия канала на увеличение теплообменных характеристик потока. При всех рассмотренных углах раскрытия, не вызывающих отрыв потока, число Нуссельта, коэффициент аналогии Рейнольдса оказываются выше, чем в каналах постоянного сечения. Этот эффект возрастает с увеличением угла раскрытия канала.

Для проверки этого эффекта был спроектирован противоточный экспериментальный теплообменник с диффузорными каналами по схеме «труба-в-трубе». В качестве теплоносителя использовалась вода. Теплообменник работал в двух режимах: диффузор-в-диффузоре (расширяющиеся каналы) или конфузор-в-конфузоре (сужающиеся каналы). Для этих режимов работы теплообменника измерены характеристики теплообмена и проведено сравнение с расчетными данными. 

Такой способ интенсификации теплообмена в гладких диффузорных каналах с малым углом раскрытия принципиально отличается от многих известных способов, где увеличение теплоотдачи достигается ценой значительного роста гидравлических потерь.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда, грант №. 20-19-00404.

1. Lushchik V. G., Pavel'ev A. A., Yakubenko A. E. “Three-parameter model of shear turbulence: heat transfer calculations,” Fluid Dyn 21, 200–211, 1986.