Результаты опытного и численного исследования обтекания одиночной диффузорной безотрывной выемки

ИЛЬЮШКИН Н. А., ТАКМОВЦЕВ В. В., ЗАРИПОВ И.Ш.,

КНИТУ-КАИ, г. Казань

Науч. рук. канд. техн. наук, доцент ИЛЬИНКОВ А.В.;

д-р техн. наук, профессор ЩУКИН А.В.

Для снижения гидравлических потерь энергии в системах охлаждения газотурбинных установок используют способы пристенной интенсификации теплообмена, которые позволяют снизить потери энергии, интенсифицируя процессы переноса только в пристенных слоях потока охладителя. Как следует из рекомендаций В.К. Мигая, Г.А. Дрейцера и др., для турбулентного режима течения газов или воды интенсифицирующее воздействие на пристенный слой потока будет энергоэффективным, если его осуществлять при значениях безразмерной координаты y *, не превышающих 200 (здесь y * = (yv */ν), v * – динамическая скорость, y – координата по нормали к поверхности стенки, ν – кинематический коэффициент вязкости). В этом случае потенциальный поток не подвергается интенсифицирующему воздействию, снижая потери энергии в охлаждающих трактах.

В настоящем докладе обсуждаются результаты исследования гидродинамики обтекания одиночной безотрывной диффузорной выемки (БДВ), выполненной на плоской поверхности. При безотрывном обтекании таких выемок условий для образования возвратного течения практически нет. Следуя опытным данным, полученным при обтекании одиночной сферической выемки с относительной глубиной h/d < 0,2, можно полагать, что на первой, по ходу основного потока, половине БДВ в пристенном слое образуются микровихри Тэйлора-Гёртлера. Они увеличивают теплоотдачу. Однако во второй половине БДВ интенсифицирующее воздействие на теплоотдачу снижается, поскольку в пристенной области течение ускоряется, приводя к подавлению турбулентных пульсаций и других возмущений.

Исследуемые модели БДВ предназначены для оценки возможностей дополнительной интенсификации процессов переноса теплоты под воздействием продольного положительного градиента давления, обусловленного формой безотрывной выемки. Форма и размеры БДВ защищены патентами РФ (RU 166684, RU 166747, RU 166748).

Физические и численные эксперименты проводились для следующих режимных условий: числа Рейнольдса изменялись в диапазоне Red = 4580…8900, где за характерный размер был принят гидравлический диаметр выемки в плоскости исходно гладкой поверхности; температура потока воздуха Т = 300 К; степень турбулентности Tu потока воздуха в канале составляла около 3 %.

Схема исследуемой модели одиночной БДВ показана на рис. 1.

Рис. 1. Схема модели одиночной БДВ (направление основного потока слева направо)

Модель БДВ располагалась вдоль плоскости симметрии канала на нижней стенке опытного участка.

Численные расчеты выполнялись в коммерческом пакете ANSYS-CFX. Расчетная область, имеющая размеры 200× 200× 400 мм разбивалась на более чем 1500000 элементов тетраэдров. Пограничный слой моделировался элементами призматической формы.

Были назначены следующие граничные условия: «вход» – скорость в поперечном сечении канала, равная 10 м/с; «выход», для которого устанавливался параметр «outflow», когда давления и скорости потока заранее неизвестны, и определяются в результате расчета; «стенка», где принималось условие прилипания потока и логарифмический профиль скорости, соответствующий классическому турбулентному пограничному слою.

В докладе приведен сравнительный анализ результатов опытных исследований поля статического давления при обтекании придонного и бокового участков БДВ. Результаты численного эксперимента вполне удовлетворительно совпадают с полученными опытными результатами. Показано, что распределение численных значений локальных параметров коэффициента давления отражают основные особенности физических процессов обтекания безотрывных выемок.

УДК 543.054.2