Гидродинамика обтекания диффузорной выемки отрывного типа

ГИРФАНОВ А.М., ТАКМОВЦЕВ В.В., ПЕШКОВ Д.К., КНИТУ-КАИ,

г. Казань

Научн. рук. д-р техн. наук, профессор ЩУКИН А.В.;

канд. техн. наук, доцент ИЛЬИНКОВ А.В.

Совершенствование рабочих процессов охлаждения теплонапряженных деталей газотурбинных установок и двигателей, повышение их энергоэффективности связано со снижением затрат энергии на перемещение охладителя по трактам этих деталей и других узлов энергооборудования. Существует класс пристенных интенсификаторов, выполненных в виде выемок, которые позволяют повысить теплоотдачу интенсификацией процессов конвективного переноса теплоты в пристенной области.

Коллектив авторов настоящего доклада запатентовал в 2015 году (RU № 2569540) двухполостную диффузорную выемку (ДДВ), позволившую превзойти по тепловой эффективности известные пристенные интенсификаторы теплообмена, обеспечив прирост теплоотдачи в 3,5–3,8 раза по сравнению с гладким каналом. Поскольку значение энергоэффективности (Nu/Nuгл)Re/(ξ/ξгл)Re в этом случае составила 0,8…0,9, то для ее повышения требуется оптимизация предложенной схемы.

а б

Рис. 1. Выемки отрывного типа: а – схема образования упрощенного аналога модели ДДВ; б – общий вид модели выемки

Отметим, что дополнительное повышение теплоотдачи в матрице ДДВ, по сравнению со сферической выемкой отрывного типа связано с интенсификацией крупномасштабных вихревых структур и с организацией диффузорного возвратного течения в них.

Варьируемыми геометрическими параметрами в опытных исследованиях являлись угол раскрытия диффузора γ и угол установки диффузорной выемки φ. Угол раскрытия диффузора γ в моделях в плане составлял 20, 25 и 30 градусов, для данной поверхности γ/2 = 10, 12,5 и 15 градусов; угол установки модели φ, который обеспечивался поворотом цилиндрического основания модели вокруг своей оси, изменялся в диапазоне от 0 до 60 градусов. Из режимных параметров варьировалось число Рейнольдса Re, рассчитанное по гидравлическому диаметру выемки d г = 4 f / П, где f – площадь выемки в плане (в плоскости исходно гладкой поверхности), П – периметр контура выемки в этой же плоскости. Режим обтекания выемки – турбулентный.

Опыты проводились на установке, опытный участок которой имел поперечное сечение 140x80 мм. Перед опытным участком и за ним располагались ресиверы. К выходному ресиверу подсоединялась воздуходувка, работающая на всасывание. Изменением положения перепускных окон варьировалась скорость потока в опытном участке от 0,5 до 17 м/с.

На нижней стенке опытного участка размещался объект исследования – модель диффузорной выемки отрывного типа. На поверхности полости модели выемки, установленной на нижней стенке канала, расположены 19 датчиков статического давления, а на исходно гладкой поверхности за выемкой – 14 датчиков.

В докладе обсуждаются результаты сравнительного исследования влияния геометрических и режимных параметров диффузорной выемки отрывного типа в диапазоне изменения чисел Рейнольдса в диапазоне Re d = (3,2…7,7)·104. Получено, что как угол раскрытия диффузора, так и положение выемки относительно направления внешнего потока влияют на распределение статического давления на поверхности выемки. При этом изменяется и интенсивность самоорганизующейся крупномасштабной вихревой структуры, влияющей на уровень конвективного теплообмена в матрице с ДДВ.

УДК 674.04