Дослідження гідродинаміки та тепловіддачі при поперечному обтіканні повітрям ряду циліндрів з гвинтовими канавками

Abstract

Поперечне обтікання циліндрів – поширене явище в багатьох галузях техніки. Технологічна простота виконання трубчастих конструкцій робить їх привабливими, особливо при застосуванні робочих тіл, які знаходяться під різними величинами тиску. Разом з тим, циліндри відносяться до категорії «погано обтічних» тіл, і існує широка можливість покращення їх гідродинаміки і тепловіддачі. Для кругового циліндра існує діапазон швидкостей, в якому його гідравлічний опір може зменшуватись від деформації поверхні циліндра. Це явище може бути використане для раціонального проектування теплообмінників. В аеродинамічній трубі відкритого типу були визначені коефіцієнти тепловіддачі та гідравлічні опори однорядних пучків циліндрів з декількома типами спіральних канавок на зовнішній поверхні. Найбільший приріст тепловіддачі (64 %) показав циліндр з найменшим кроком канавки (10 мм), на другому місці опинився екземпляр з порівняно великим кроком – 40 мм. Застосування найкращої спіральної канавки дозволило зменшити гідравлічний опір на 19 %. Для пояснення ефектів застосовувались візуалізація і комп’ютерне моделювання. Відповідність комп’ютерного моделювання експериментальним результатам визначалась порівнянням середнього коефіцієнту теплообміну (розрахункового і визначеного за допомогою льодового калориметра). В результаті вибрано модель турбулентності RNG, яка забезпечує кращу відповідність моделі експерименту. Комп’ютерне моделювання пояснило фізичну картину обтікання циліндрів зі спіральними канавками, в тому числі їх взаємний вплив при відмінній осьовій орієнтації в пучку. Показано, що наявність спіральної канавки, яка з одної сторони збільшує тепловіддачу, а з другої сторони зменшує гідравлічний опір, може суттєво збільшити теплогідравлічну ефективність (фактор аналогії Рейнольдса).