3777

ношения коэффициентов трения, здесь использовалось отношение соответствующих гидравлических сопротивлений.

Рис. 1.3. Эффективность интенсификации теплообмена сферическими выемками (при h/d = 0,1.. .0,2):

1 - 4 - для одностороннего расположения выемок со скругленными кромками и для двухстороннего расположения выемок с острыми кромками соответственно; 5, 6 - коаксиальный кольцевой канал; 7, 8 - пучок трубок, расположенных в шахматном и коридорном порядке соответственно; 9 - Лунки в плоском канале

10

Рис. 1.4. Результаты исследований (плоский канал) для поверхностей со сферическими выемками:

1 - В.Н. Афанасьева и др.; 2 - М.Я. Беленького и др. (пучок труб, расположенных в шахматном и коридорном порядке); 3 - Ю.Ф. Гортышова и др.; 4 - Г.П. Нагоги и др.; 5 - М.Я. Беленького и др.

В конце семидесятых годов прошлого столетия в одном из циклов гидродинамических и теплофизических исследований, проведенных авторами [2], было обнаружено явление са-

11

моорганизации вторичных смерчеобразных вихрей - закрученных струй или вихревых структур, возникающих в потоках газов, жидкостей и их двухфазных смесей при обтекании ими трехмерных углублений на граничных поверхностях с нанесенным на них рельефом трехмерных углублений различной геометрии, в том числе углублениями-лунками со сферической формой их вогнутой части. Технологии, основанные на использовании обнаруженных смерчеобразных струй (TLJ), для краткости назвали смерчевыми технологиями [tornado like jet technology (TLJT)], a рельефы, обеспечивающие самоорганизацию таких струй, - TLJTрельефами или TLJT-поверхностями.

На рис. 1.5 представлены фотографии энергообменных поверхностей (трубы и пластины), формованных трехмерными углублениями-лунками, совокупность которых представляет собой TLJT-рельеф, покрывающий обтекаемую поверхность.

Рис. 1.5. Поверхности, формованные TLJT-рельефами

На рис. 1.6 показаны эскизы цилиндрических труб (б, в) и плоских поверхностей (г, д), лунки на которых нанесены либо в коридорном, либо в шахматном порядке.

12

Рис. 1-6. Формы и характерные размеры TLJT -рельефов: R(+) - радиус кривизны скругления кромки лунки; R(-) - радиус кривизны формующего элемента; rc - радиус лунки; rsph - радиус сферической части лунки; hc - глубина лунки; hsph - глубина сферической части лунки; dc - диаметр лунки; t1, t2 - продольные и поперечные шаги между лунками

Из рассмотрения этих рисунков следует, что нанесение углублений-лунок на поверхность энергообмена изменяет ее площадь, определяющую значения удельных потоков тепла, массы и импульса, которыми эта поверхность обменивается с потоками энергоносителя.

Углубления, наносимые на обтекаемую поверхность и увеличивающие ее площадь, могут иметь различную форму,

13

например, цилиндрическую, коническую, пирамидальную, сферическую и другие.

Приведенные выше геометрические формы и размеры криволинейных поверхностей рельефа являются одной из основ, обеспечивающих действие механизмов самоорганизации вторичных смерчеобразных закрученных струй, сопряжение которых с обтекаемой поверхностью требует наличия на ней мелкодисперсных подвижных структур (МДПС). В этом смысле TLJTрельефы, имеющие криволинейную поверхность углублений, в том числе, рельефы, обладающие двойной кривизной, являются необходимым условием образования на обтекаемой поверхности пограничного слоя с МДПС и формирования на этом слое TLJ-структуры.

На рис. 1.7, в зафиксирована смерчеобразная струя, истекающая из лунки в основное течение, и мелкомасштабные поверхностные вихри, образующиеся на выпуклой части рельефа, обтекаемого потоком жидкости. Визуализация произведена с помощью электрохимического метода, использующего мелкие газовые пузырьки, генерируемые внутри потока специальным устройством, состоящим из батареи тонких игл, служащих одним из электродов и расположенных над обтекаемой поверхностью из плексигласа, и из пластинчатого электрода, встроенного вовнутрь этой поверхности. Подачей электрического напряжения на иглы и электрод создаются условия для электролиза воды и рождения на остриях игл мелких пузырьков, наполненных водородом и заряженных электричеством знака, противоположного знаку потенциала на пластинчатом электроде. Стекая с острия игл, пузырьки двигаются в электрическом поле от игл к поверхностному электроду, прижимаются кулоновскими силами к поверхности обтекаемой пластины и сносятся потоком жидкости в сторону лунок TLJTрельефа.

Видно, что в зоне, где начинается выпуклая часть TLJTрельефа, пузырьки, двигавшиеся до этой зоны неупорядоченной массой 1, приобретают форму "косичек" 2, прижатых к выпуклой части поверхности и стекающих вовнутрь вогнуто-

14

в)

15

е)

Рис. 1.7. Визуализация процесса обтекания лунки (г - е), измерения поля давления и толщины пограничного слоя на TLJTрельефе (б, в)

сти. Внутри вогнутости выстраивается "обтекатель" 3 из подобных "косичек", "оседланный" закрученной вторичной смерчеобразной струей 4. На этом рисунке можно разглядеть, как "косички" или их сплетения разносятся потоком по поверхности лунки, скапливаются в зоне торможения потока на нижних скатах углубления 5 и выносятся из центральной части вогнутости вторичной закрученной струей. Зафиксированная фотографией визуализация процесса обтекания объясняет высокую эффективность самоорганизующихся вторичных смерчеобразных струй для интенсификации обменных процессов на TLJT-поверхностях. В самом деле, массы сплошной среды,

16

вплетенные в "косички", которыми заполнен ствол смерчеобразного вихря, выносятся из пограничного слоя на поверхности в ядро течения в количествах, существенно превосходящих количества теплоносителя, переносимого из пограничного слоя турбулентными молями при использовании турбулентных механизмов интенсификации тепломассообмена.

Эти же "косички" поглощают часть мелкомасштабных вихрей и завихренностей, генерируемых при взаимодействии потока с плоской частью обтекаемой TLJT-поверхности, снижая интенсивность процесса диссипации энергии потока, расходуемой на эту генерацию, и прерывая каскадный процесс дробления более крупных вихрей на более мелкие. В самом деле, изложенный механизм подтверждается измерениями толщины пограничного слоя на поверхностях с TLJTрельефами и на исходно гладких поверхностях и профилем поля давления, измеренного внутри углублении TLJTрельефа и вокруг лунки. Отсосанная с поверхности периферийной зоны углубления масса сплошной среды накапливается в центральной его части, о чем свидетельствует резкое увеличение толщины пограничного слоя, "торчащего" из лунки и измеренного с помощью лазерного доплеровского анемометра (LDA) и методами PIV.

Рисунок 1.7, б, на котором изображено поле давлений на поверхности лунки, свидетельствует о том, что поле давления на периферийной части углубления TLJT-рельефа и вокруг него понижается по сравнению с давлением в обтекающем потоке и повышается во внутренней части углубления за счет торможения потока на нижних по течению скатах лунки и действия массовых сил инерции, возникающих на вогнутой поверхности ее криволинейного рельефа.

Динамические вихревые структуры, самоорганизующиеся при обтекании лунок, эволюционируют вслед за изменением скорости течения, приобретая без какого-либо внешнего воздействия на поток вид струй столбообразной формы, истекающих из лунок и вытянутых вдоль потока. Ясно видно, что продольный размер этих струй, аналогично смерчам, су-

17

щественно превосходит поперечный, следовательно эти струи, так же, как и смерчи, интенсивно всасывают среду с поверхности окружающего их ареала и переносят ее за пределы поверхностной зоны течения, уменьшая темп роста толщины пограничного слоя вдоль течения по сравнению с аналогичным ростом пограничного слоя на исходно гладкой поверхности при равных значениях скорости натекающего потока. В самом деле, и измерения аэрогидродинамических характеристик, и визуализация процессов обтекания рельефов трехмерных углуб- лений-лунок подтверждают эти свойства.

Интенсификацию теплоотдачи на рѐбрах можно рассмотреть на примере [4].

В экспериментальной работе представлен сравнительный анализ воздушных систем охлаждения рентгеновских аппаратов непрерывного действия (рис. 1.8, 1.9).

Рис. 1.8. Внешний вид воздушной системы охлаждения на основе гладкого ребра

18

Рис. 1.9. Внешний вид воздушной системы охлаждения на основе ребра с поверхностными интенсификаторами в виде лунок

Показано, что в условиях вынужденного течения теплоносителя лучшими теплоотводящими способностями обладает система, выполненная из ребер с нанесенными на поверхность интенсификаторами. В случае свободно конвективного теплообмена максимальные тепловые нагрузки отводятся системой охлаждения с гладкими ребрами.

19