ОСОБЕННОСТИ ОБТЕКАНИЯ ПЛОСКООВАЛЬНОЙ ТРУБЫ В ПОПЕРЕЧНОМ ПОТОКЕ

Никитюк П. С.¹, Семеняко А. В.², Терех А. М.³, Руденко А. И.⁴

¹Студент, ²ассистент, ³кандидат технических наук, старший научный сотрудник, ⁴кандидат технических наук, доцент

Национальный технический университет Украины, «Киевский политехнический институт»

ОСОБЕННОСТИ ОБТЕКАНИЯ ПЛОСКООВАЛЬНОЙ ТРУБЫ В ПОПЕРЕЧНОМ ПОТОКЕ

Аннотация

Приведены результаты исследования распределения давления и визуализация течения на поверхности плоскоовальной трубы. Рассмотрены особенности обтекания плоскоовальной трубы. Обнаружено два отрыва пограничного слоя от поверхности плоскоовальной трубы.

Ключевые слова: обтекание, давление, отрыв, пограничный слой, плоскоовальная труба, визуализация.

Nikityuk P. S.¹, Semenyako A. V.², Terekh A. M.³, Rudenko A. I.⁴

¹Student, ²assistant, ³PhD in Technical sciences, Senior Researcher, ⁴PhD in Technical sciences, assistant professor, National technical university of Ukraine "Kiev Polytechnic Institute"

FEATURES OF FLOWING AROUND FLAT OVAL TUBE IN TRANSVERSAL FLOW

Abstract

The results of research of pressure distribution on the surface of flat oval tube, and visualization of flow are presented. The features of flowing around of flat oval tube are considered. Two boundary layer separations are exposed on a surface of flat oval tube.

Keywords: flow, pressure, separation, boundary layer, flat-oval tube, visualization.

Введение

В современных энергогенерирующих устройствах различного назначения широко распространены поперечно-обтекаемые трубчатые теплообменные поверхности. К ним относятся круглые, прямоугольные, овальные (эллиптические), плоскоовальные, каплеобразные, двухугольные [1] и другие геометрические формы поперечного сечения. Из перечисленных поверхностей наиболее широкое распространение в теплообменных устройствах получил поперечно-обтекаемый цилиндр. Процессы на поверхности трубы плоскоовального профиля до настоящего времени мало изучены, нет надежных зависимостей для расчета теплообмена и аэродинамического сопротивления, как одиночных труб, так и массивов (пакетов) из них [2]. Поэтому и с практической и с научной точки зрения исследования процессов, как обтекания, так и теплоотдачи плоскоовальных труб являются актуальными.

Особенности обтекания плоскоовальной трубы

Поперечно-обтекаемый цилиндр (труба круглой формы) является удобным объектом для решения ряда задач, поскольку на ее поверхности образуются зоны с разными режимами течения в пограничном слое и в зоне отрыва (рис. 1).

Рис. 1 - Обтекание цилиндра [3]

 

Процесс обтекания труб любой формы поперечного сечения довольно сложный [4] и зависит от многих факторов: числа Рейнольда Re, степени турбулентности набегающего потока Tu, высоты цилиндра и др. Эти факторы существенно влияют на динамику режимов обтекания, на отрыв пограничного слоя, на формирование ближнего следа за цилиндром.

Исследованию влияния этих параметров посвящено достаточно большое количество литературного материала [4-8], но относятся они в основном к трубам круглой и эллиптической формы. Данные по изучению обтекания плоскоовальных цилиндров, как указано выше, практически отсутствуют.

В данной работе исследование полей давлений и визуализация течения на поверхности плоскоовальных труб при поперечном их обтекании воздушным потоком осуществлялось на экспериментальной установке, которая представляла собой аэродинамическую трубу разомкнутого типа прямоугольного сечения [2].

Измерение распределения давлений по периметру плоскоовального трубы проводилось 28-ю трубками с напорными датчиками в виде отверстий диаметром 0.4 мм, равномерно размещенных с шагом центрального угла . Результаты измерений представлены в виде распределения коэффициента давления, определяемого по зависимости

На рис. 2 приведены экспериментальные данные распределения коэффициента давления  для плоскоовальной трубы с отношением большой и малой осей .

В отличие от течения на поверхности круглой трубы [4, 8] при обтекании плоскоовальной трубы характерно появление нескольких специфических зон, которые возникают в результате течения на поверхностях различной геометрической формы (полукруг-плоскость-полукруг).

Рис. 2 - Распределение коэффициента давления  по поверхности плоскоовальной трубы:

В лобовой точке (А) ( ) (рис. 2) при встрече потока с препятствием   скорость потока равняется нулю. С увеличением угла  поток ускоряется, касательная скорость растет и в миделевом сечении в точке (Б) ( ) она удваивается ( ). На рис. 2 видно, что максимумы коэффициентов давления находятся в критических областях, а минимумы при центральном угле примерно (25-27)°. Низкое давление в точке (Д) обусловленно отрывом пограничного слоя.

При взаимодействии сил вязкости с поверхностью трубы на его лобовой поверхности образуется псевдоламинарный пограничный слой (линия А-Б) (рис. 2), толщина которого увеличивается вниз по течению. Отрыв пограничного слоя от поверхности обусловлен силами трения, изменением давления и скорости. При обтекании лобовой области давление падает , скорость возрастает и, несмотря на действие сил трения, жидкость продолжает двигаться вдоль поверхности трубы. При движении потока на прямых участках плоскоовальной трубы (участок Б-В) давление потока начинает возрастать , а скорость в направлении движения практически остается постоянной.

Отрыв пограничного слоя происходит в месте соединения лобовой части полукруга и боковых горизонтальных частей плоскоовального цилиндра при угле (90°- 95°), или если считать от центрального угла плоскоовального цилиндра на угле  (точка Б, рис. 2).

На рис. 3-4 представлена картина обтекания трубы плоскоовального профиля с поперечным размером  и продольным  . Визуализация течения на поверхности проведена с помощью впрыска в поток саже-керосиновой суспензии [9].

Рис. 3 - Моделирование течения на поверхности плоскоовальной трубы при 

В пределах области (А-Б) происходит образование ламинарного пограничного слоя. В этой области давление падает (рис. 2), скорость растет. Линия отрыва (2), (Б-Б) явно выражена и представляет собой светлую тонкую полосу с переходом на темную с образованием отрывного пузыря в виде темных пятен. Наличие отрывного пузыря подтверждается и численным моделированием обтекания одиночной плоскоовальной трубы (рис. 5).

Рис. 4 - Визуализация течения на поверхности плоскоовальной трубы при : а - вид сбоку, б - вид сверху:

1 - область формирования ламинарного пограничного слоя; 2 - линия первичного отрыва пограничного слоя; 3 - зона присоединения; 4 - область турбулентного течения  в пограничному слое; 5 - вторичный отрыв пограничного слоя; 6 - кормовая вихревая зона

Рис. 5 - Линии тока в области отрывного пузыря  плоскоовальной трубы  (численное моделирование): 1 - отрывной пузырь; 2 - присоединение потока; 3 - пограничный слой

Следующая по ходу потока зона присоединения (3) (рис. 4) в которой происходит ламинарно-турбулентный переход, сопровождающийся достаточно большими вихревыми структурами. В области (4) (область Б-В, рис. 2, 4) до линии В-В наблюдается турбулентное течение в пограничном слое. Скорость потока и давление в этой области практически не изменяется (Б-В, рис. 2, 4). По линии соединяющей плоскую и криволинейную части трубы при угле (85° - 90°), который отсчитывается от кормовой критической точки (Г), происходит вторичный отрыв турбулентного пограничного слоя (5) (линия В-В, рис. 4) с образованием кормовой вихревой зоны, которая отображается участком (6) (В-Г, рис. 4). Наличие вторичного отрыва подтверждается распределением давления в пределах линии (В-В) небольшим минимумом на отрезке центрального угла плоскоовальной трубы на рис. 2 - 4. Ширина кормовой вихревой зоны зависит от режима течения в пограничном слое в точке отрыва и величины числа Рейнольдса.

Выводы

1. На поверхности плоскоовальной трубы наблюдается два отрыва пограничного слоя в местах соединения криволинейных и плоских частей поверхности.
2. На плоских боковых поверхностях плоскоовальной трубы происходит нарастание толщины пограничного слоя.
3. Природа обтекания лобовой и кормовой частей круглого и плоскоовального цилиндров качественно схожие.
4. Распределение полей давления по периметру плоскоовальной трубы показывает более низкое ее аэродинамическое сопротивление по сравнению с круглой трубой.

Литература

1. Антуфьев В. М. Эффективность различных форм конвективных поверхностей нагрева. М., Л.: Энергия, 1966. – 184 с.
2. Жукова Ю. В., Терех А. М., Семеняко А. В. Аэродинамика и теплообмен плоскоовального цилиндра при вынужденной конвекции. Труды V Российской Национальной конференции по теплообмену. – 25-29 октября. – г. Москва. – 2010. – Т.2. – С. 126-128.
3. Письменный Е. Н. Пути совершенствования трубчатых воздухо-нагревателей ГТУ// Теплоэнергетика. – 2012. – №6. – С. 67-72.
4. Жукаускас А., Жюгжда И. Теплоотдача цилиндра в поперечном потоке жидкости. Вильнюс: Мокслас, 1979. – 240 с.
5. Baker C. I. The turbulent horseshoe vortex // Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. – 1980. – V. 6. – N 1-2. – P. 9-23.
6. Schlichting H. Boundary Layer. Theory. 7^th edition. McGraw-Hill Book Co., Inc., 1979. – 816 pp.
7. Дыбан Е. П., Юшина Л. Е. Теплообмен цилиндра конечной длины// Промышленная теплотехника. – 1982. – Т.4. - №5. – С.3-8.
8. Дыбан Е.П., Эпик Э.Я. Тепломассообмен и гидродинамика турбулизированных потоков. Киев: Наукова думка, 1985. – 296 с.
9. Патент на полезную модель №54180 Украина, МПК G01P5/00. Способ визуализации течения газового потока/ Е. Н. Письменный, А. И. Руденко, А. П. Нищик, А. М. Терех, А. В. Семеняко: заявл. 20.05.2010; опубл. 25.10.2010. Бюл. №20.