RU2020304C1

RU2020304C1 - Поверхность обтекания для формирования динамических вихревых структур в пограничных и пристенных слоях потоков сплошных сред

Info

Publication number: RU2020304C1
Application number: SU925034292A
Authority: RU
Inventors: Геннадий Ираклиевич Кикнадзе; Иван Александрович Гачечиладзе; Валерий Григорьевич Олейников
Original assignee: Геннадий Ираклиевич Кикнадзе; Иван Александрович Гачечиладзе; Валерий Григорьевич Олейников
Priority date: 1992-03-31
Filing date: 1992-03-31
Publication date: 1994-09-30
Also published as: KR950701045A; DE69226711D1; EP0679812A1; SG47069A1; WO1993020355A1; DE69226711T2; EP0679812A4; US6006823A; ES2122998T3; EP0679812B1; AU1974292A

Abstract

Использование: в транспорте, при необходимости обеспечения управления пограничным слоем и снижения гидроаэродинамического сопротивления обтекания в различных энергетических и тепломассообменных системах. Сущность изобретения: поверхность обтекания выполнена с элементами рельефа, т.е. вогнутостями (выпуклостями), при этом сечение вогнутости (выпуклости) имеет форму плавной замкнутой линии, описываемой определенной зависимостью, высота вогнутостей (выпуклостей) h = 0,005 0,3 толщины пограничного слоя, участки закругления вогнутостей или выпуклостей имеют общую касательную в любом поперечном к исходной поверхности сечении с участком перехода в виде поверхности двоякой кривизны с радиусами, составляющими R₁≥ 3h и R₂≥ 3h , размер вогнутостей (выпуклостей) вдоль обтекаемой поверхности составляет r(h₁180)+r(h₁0)=(2-40)h , размер участка загрузления вдоль обтекаемой поверхности l_з= (0,05÷0,3)[r(h₁180)+r(h₁0)], размер участка перехода вдоль линии, соединяющей центры вогнутостей или выпуклостей, l_п= (0,05÷3)[r(h₁180)+r(h₁0)] , центры вогнутостей или выпуклостей расположены в вершинах параллелограмма сторонами (1,05÷4)[r(h₁180)+r(h₁0)] и углом при вершине γ=20÷90^°. 1 з.п.ф-лы, 6 ил.

Description

Изобретение относится к гидроаэромеханике и к теплофизике и касается устройства управления пограничными или пристенными слоями в потоках сплошных сред, таких как газы, жидкости, их двухфазные или многокомпонентные смеси и т.д., движущихся безнапорно или в напорных каналах. Изобретение может быть использовано в технике, где необходимо обеспечить управление пограничным слоем и снизить гидроаэродинамическое сопротивление обтекания поверхностей потоками сплошных сред. Изобретение может быть применено в различных энерготехнических и тепло- и массообменных системах, а также везде, где требуется интенсифицировать тепломассообмен при ограниченном росте гидравлического сопротивления. В частности, изобретение находит применение в различных видах транспорта, в газотурбинных агрегатах с охлаждаемыми лопатками, в ядерно-энергетических сборках, парогенераторах, теплообменниках различного назначения, рекуператорах и других энергообменных аппаратах и устройствах.

Нанесение на поверхность энергообмена рельефов в виде поперечных ребер различной высоты, перегораживающих "живое" сечение канала (метод двухразмерной искусственной шероховатости - ДИШ), является одним из наиболее испытанных и широко применяемых методов интенсификации тепло- и массообмена (ИТМО). Согласно работе [1] элементы ДИШ обусловливают уменьшение эффективной толщины вязкого подслоя в зоне пристеночного течения. Подобное утончение происходит как над элементами шероховатости (над выступами), так и между ними благодаря воздействию на вязкий подслой вихрей, образующихся при "отрыве" потока с элементов шероховатости и распространяющихся не только в ядро потока, но и в направлении стенки. Основное "термическое сопротивление" потока определяют вязкий подслой и промежуточный слой. Их турбулизация уменьшает "термическое сопротивление", приводя к существенному росту теплообмена.

Основная масса результатов по интенсификации тепло- и массообмена (ИТМО) с помощью метода ДИШ может быть охарактеризована с возможностью 1,5-3-кратного увеличения передачи тепла в каналах практически всех геометрий. Причем для достижения такой интенсификации теплообмена необходимо, чтобы абсолютная высота элементов шероховатости составляла бы 0,02-0,03 от эквивалентного гидравлического диаметра каналов в случае двумерных выступов треугольной и прямоугольной формы или в виде проволоки, навитой на обтекаемую поверхность. Для достижения аналогичных показателей в случае двумерных поперечных канавок на цилиндрической обтекаемой поверхности соответствующая глубина составляет 0,03-0,05 от эквивалентного гидравлического диаметра канала. ИТМО с помощью метода ДИШ эффективна для переходного и развитого турбулентного режима течения теплоносителя. Однако применение этого метода сопровождается значительным ростом гидравлического сопротивления, в 4-10 раз превышающего значение для гладкого канала. Это связано с особенностями вихреобразования, присущего методу ДИШ. Большинство данных обобщается приближенной "квадратичной" зависимостью: относительный прирост гидросопротивления примерно равен квадрату степени интенсификации теплообмена. Этот сильный рост гидравлического сопротивления является основной причиной, сдерживающей применение ДИШ для повышения интенсификации теплообмена в энергообменных устройствах.

Следует отметить, что профили двумерных выступов или впадин в значительной мере влияют на соотношение приростов гидросопротивления и интенсивности теплообмена. Теплоотдача практически не зависит от формы двумерных выступов (при неизменных высоте и шаге расположения выступов). Коэффициент гидравлического сопротивления снижается по мере увеличения обтекаемости двумерных выступов. Например, переход от треугольного выступа к каплеобразному сопровождается уменьшением коэффициента сопротивления на 24% [2]. По мнению авторов работы [3] , количественное обобщение данных по гидравлическому сопротивлению практически исключено.

Таким образом, большинство широко используемых устройств интенсификации тепломассообмена, аналогичных приведенному примеру с ДИШ, сопряжено со значительными затратами энергии на перекачку теплоносителя.

В последние десятилетия стали развиваться подходы к обсуждаемой проблеме, основанные на использовании особенностей вихревой динамики сплошной среды, обтекающей трехмерные рельефы. Так, согласно патенту [4] предлагаются устройства с волнообразными поверхностями или с поверхностными элементами такой амплитуды, таким отклонением к направлению обтекающего их потока и таким продольным и поперечным распределением этих свойств, чтобы формировать и усиливать вихри в пограничном слое. При этом, в частности, для элементов, имеющих форму вогнутостей, рекомендуемая глубина составляет величину (0,5-1,0) δ, где δ - толщина пограничного слоя [3], а период расположения таких элементов составляет (3-20) δ. Этим исчерпываются количественные меры элементов обсуждаемых устройств.

Следует отметить в этой связи, что автору этого патента не удалось продвинуться в части решения поставленной задачи, а также предложить более конкретные формы трехмерных элементов рельефа, исключая геометрические построения, непосредственно не связанные с механизмами вихревой динамики.

Наиболее близким к изобретению является патент [5] на теплообменную трубу, имеющую поверхность обтекания, где выполнен по крайней мере один ряд выступов (выпуклостей), т.е. элементов рельефа на внутренней ее поверхности вдоль спиральной кривой, причем контур поперечного сечения этих трехмерных элементов состоит из плавных кривых в любой части высоты выступов, включая основание. При этом площадь сечения монотонно убывает по направлению к вершине выступа, а высота выступа составляет 0,45-0,6 мм. Спиральная кривая выбирается так, что при этом получается шаг "по окружности" 3,5-5 мм, а вдоль оси 5-15 мм. В частности, сечения выступов могут иметь круговую, эллиптическую или вытянутую форму.

Однако в этом патенте не указываются соотношения размеров выступов и шагов, характеризующих размещение выступов, с диаметром трубы и режимом течения теплоносителя. Излагаемые данные применимы к трубам диаметра около 15 мм, - авторы приводят результаты теплофизических экспериментов только для труб этого диаметра. Помимо этого не указаны радиусы кривизны участков, по которым главная часть поверхности трубы переходит в поверхность выступа. Если судить по рисункам, имеющимся в этом патенте, то такой переход подразумевается с нулевым радиусом кривизны. В то же время известно, что эти радиусы кривизны определяют величину гидросопротивления и, следовательно, теплофизическую эффективность. Кроме того, в патенте нет указаний об оптимальном с теплофизической точки зрения отношении высоты элемента рельефа к его диаметру, хотя это отношение сильно влияет на меры теплообмена и гидросопротивления.

Очевидно, что поскольку турбулентные течения теплоносителей, как это было показано в последние десятилетия, трехмерны даже в случае постановки двумерных граничных условий, и поскольку трехмерные рельефы отличаются большим разнообразием, тем самым обеспечивая реализуемость большего числа степеней свободы в поле скорости в пристеночной области течения, то следует ожидать большей теплофизической эффективности в случае подбора надлежащего трехмерного рельефа. Однако даже простейшие закономерности обтекания трехмерных рельефов изучены менее подробно, чем в случае двумерных рельефов. Это связано как с относительной "молодостью" методов интенсификации тепломассообмена посредством трехмерных рельефов, так и с большим многообразием возможностей и параметров, присущим трехмерным рельефам. Это и объясняет схематизм и отсутствие важных геометрических параметров трехмерных рельефов в техническом решении, упомянутом выше, а также отсутствие связи этих параметров с режимами и другими характеристиками течения теплоносителей.

В основу изобретения положена техническая задача создания устройства управления процессами тепломассообмена, гидравлическим сопротивлением, кипения, отложения примесей из потоков в пограничных или пристенных слоях течения газов, жидкостей их двухфазных или многокомпонентных смесей, движущихся безнапорно или в напорных каналах путем инициирования рождения крупномасштабных динамических вихревых структур и направления их развития.

Поставленная техническая задача решается за счет выполнения поверхности обтекания или тепломассообменной поверхности, являющейся границей раздела между текущей сплошной средой газа, жидкости, двухфазной или многокомпонентной смеси и твердой стенкой, исходно плоской, цилиндрической, конической или любого другого профиля, позволяющей управлять процессами переноса импульса, тепла, массы и др. в пограничном или пристенном слоях течения за счет формирования динамических вихревых структур благодаря выполнению на ней трехмерного вогнутого или выпуклого рельефа с плавными очертаниями и диапазонами характеризующих этот рельеф размеров, связанными с гидродинамическими длинами, описывающими процессы в пограничных и пристенных слоях течения. Поверхность обтекания содержит распределенные по ней и сопряженные закруглениями с участками перехода трехмерные профилированные вогнутые или выпуклые элементы рельефа, любое сечение которых, параллельное плоскости, в которой лежат ближайшие три вершины этих элементов, имеет форму плавной замкнутой линии, при этом участки перехода выполнены двоякой кривизны и плавно сопряжены закруглениями с элементами рельефа, а последние от вершины до закругления профилированы в соответствии с зависимостью
r(Z, φ) =

r (h, o) -

+[r(h, 180) - r (h, o)] ×
×

-

sin

+ A₁r(h, o)

sin

-

sin

+ (1)
+ A₂r(h, o)

sin

-

sin

где r, φ, Z - цилиндрические координаты с началом в вершине элемента рельефа, причем r(Z, φ) - текущий радиус плавной замкнутой линии в указанном сечении элемента рельефа;
φ - текущий полярный угол между соответствующим радиусом и осью, выбранной в этом сечении;
Z - расстояние от этого сечения до вершины;
h - высота элемента рельефа от вершины до начала участка перехода;
l₃ - длина закругления по прямой, параллельной отрезку, соединяющему вершины соседних элементов рельефа;
К = 0,3-0,7 - коэффициент кривизны элемента рельефа;
A₁ = -0,25-0,25 - коэффициенты вытянутости замкнутой линии в указанном сечении в диапазоне полярных углов 70-110^о;
А₂ , -0,25-0,25 - коэффициент вытянутости и сплюснутости замкнутой линии в указанном сечении соответственно в диапазонах полярных углов 30-70^о и 110-150^о, при этом радиусы кривизны участков перехода выбираются из соотношения
R_1,2 ≥ 3h (2) высота элементов рельефа выбирается из соотношения
h = (0,005-0,3) δ (3) где δ - толщина пограничного слоя или размер эквивалентного гидравлического диаметра канала. сечения, сопрягаемые с закруглением, выполняются в соответствии с соотношением
r(h, 180) + r(h, 0) = (2-40)h, (4) закругления выполняются в соответствии с соотношением
l₃ = (0,05-0,3)[r(h, 180) + r(h, 0)], (5) а участки перехода выполняются в соответствии с соотношением
l_n = (0,05-3) [r(h, 180) + r(h, 0)], (6) где l_n - длина участка перехода по прямой, параллельной отрезку, соединяющему вершины соседних элементов рельефа.

Элементы рельефа могут быть распределены по поверхности в вершинах параллелограмма с длинами сторон, составляющими (1,05-4)[r(h, 180) + r(h, 0)] и с углом при вершине параллелограмма γ = 20-90^о.

Соотношения, характеризующие указанные трехмерные профилированные вогнутые или выпуклые элементы рельефа, закругления и участки перехода, получены в результате обработки данных теплофизических измерений.

На фиг. 1 и 2 изображено сечение трехмерных профилированных вогнутых и выпуклых элементов рельефа, перпендикулярное плоскости, в которой лежат ближайшие три вершины этих элементов; на фиг.3 - вид сверху на вогнутые или выпуклые элементы рельефа; на фиг.4 - сечение участка перехода перпендикулярно плоскости, в которой лежат ближайшие три вершины вогнутых или выпуклых элементов рельефа, вдоль одной из линий, соединяющих соседние вершины элементов, сечение А-А на фиг.3; на фиг.5 сечение В-В на фиг.3 аналогичного сечения участка перехода вдоль другой линии, соединяющей соседние вершины элементов; на фиг.6 - вид сверху на вогнутые или выпуклые элементы рельефа и сечение элемента рельефа, параллельное плоскости, в которой лежат ближайшие три вершины этих элементов.

Вогнутые элементы 1 на фиг.1 и выпуклые элементы 1 на фиг.2 сопряжены закруглениями 2 с участками 3 перехода. На этих фигурах показано расположение цилиндрической системы координат с осью z с началом в вершине 5 элементов. Под высотой элемента h понимается расстояние между плоскостью, в которой лежат ближайшие три вершины элементов, и параллельной ей плоскостью, касательной к закруглению этого элемента, или имеется в виду высота элемента рельефа от вершины до начала участка перехода. Показано также сечение 4 вогнутого или выпуклого рельефа, параллельное плоскости, в которой лежат ближайшие три вершины этих элементов с указанием координаты r при расстоянии Z сечения до его вершины 5. Указаны длина закругления l₃ по прямой, параллельной отрезку, соединяющему вершины 5 соседних элементов рельефа, а также длина участка перехода l_п вдоль той же прямой. На фиг.3 показаны замкнутая линия 6, являющаяся границей между вогнутым или выпуклым элементом 1 рельефа и закруглением 2, и замкнутая линия 7, отделяющая закругление 2 от участка 3 перехода. Изображены длины закругления l₃, участка перехода l_п, а также длина вогнутого или выпуклого элемента рельефа r(h, 180) + r(h, 0) по прямой, параллельной отрезку, соединяющему вершины 5 соседних элементов рельефа. Указаны сечения А-А и В-B участка перехода перпендикулярно плоскости, в которой лежат ближайшие три вершины вогнутых или выпуклых элементов рельефа. На фиг.3 изображено также расположение вогнутых или выпуклых элементов рельефа, когда их вершины 5 распределены по поверхности обтекания в вершинах параллелограмма 5-5-5-5 с углом при вершине γ. На фиг.4 указаны радиус кривизны R₁ участка перехода, соответствующий сечению А-А на фиг.3, и центр 8 кривизны этого сечения. На фиг.5 указаны радиус кривизны R₂участка перехода, соответствующий сечению В-В на фиг.3, и центр 9 кривизны этого сечения. Радиусы кривизны R₁ и R₂ могут иметь несовпадающие между собой значения, причем центры 8 и 9 кривизны, соответствующие этим радиусам, могут быть расположены по разные стороны от поверхности обтекания в соответствии с тем, что участок перехода выполнен двоякой кривизны. На фиг.6 дан вид сверху на вогнутые или выпуклые элементы рельефа с изображением сечения, параллельного плоскости, в которой лежат ближайшие три вершины этих элементов, в форме плавной замкнутой линии 10. Показаны текущий радиус r(Z, φ) плавной замкнутой линии 10, а также φ - текущий полярный угол φ между соответствующим радиусом и осью, выбранной в этом сечении, в данном случае параллельной отрезку, соединяющему вершины 5 соседних элементов рельефа. Плавная замкнутая линия 10 описывается приведенной выше зависимостью (1) для случая, когда соответствующее этой линии сечение 4 не содержит закругления 2.

Плавная замкнутая линия 10 может иметь в соответствии с зависимостью (1) форму окружности, эллипса, яйца или другой замкнутой линии, вытянутой в каких-либо одних направлениях и сплюснутой в других направлениях. Диапазон этих направлений характеризуется диапазоном соответствующих им полярных углов φ так, что крайние значения диапазона углов φ соответствуют углам между радиусами, ограничивающими диапазон направлений вытянутости или сплюснутости, и осью, выбранной в сечении, в котором лежит линия 10. Коэффициент А₁характеризует вытянутость (или сплюснутость) замкнутой линии 10 в диапазоне полярных углов φ =70-110^о таким образом, что при 0 < A₁ < <0,25 этот коэффициент обеспечивает вытянутость в этом диапазоне полярных углов. При -0,25 < A₁ < 0 этот коэффициент обеспечивает сплюснутость в этом диапазоне полярных углов. Для краткости коэффициент А₁ назван коэффициентом вытянутости замкнутой линии в диапазоне полярных углов φ = 70-110^о соответственно положительным значениям этого коэффициента. Коэффициент А₂ характеризует вытянутость (или сплюснутость) замкнутой линии 10 в диапазонах полярных углов 30-70^о и 110-150^о. При 0 < A₂ < 0,25 это коэффициент обеспечивает вытянутость замкнутой линии в диапазоне углов 30-70о и одновременно сплюснутость ее в диапазоне углов 110-150^о. При -0,25 < A₂ < 0 этот коэффициент обеспечивает сплюснутость замкнутой линии в диапазоне углов 30-70^о и одновременно вытянутость ее в диапазоне углов 110-150^о. Для краткости коэффициент A₂ назван коэффициентом вытянутости и сплюснутости замкнутой линии соответственно в диапазонах полярных углов 30-70^о и 110-150^оприменительно к положительным значениям этого коэффициента.

При r(h, 180) - r(h, 0) > 0 имеют место вогнутые или выпуклые элементы рельефа со смещенной вершиной в сторону радиусов r, соответствующих полярному углу φ = 0^о. При этом форма элемента рельефа получается более крутой в направлении радиусов r, соответствующих полярному углу φ = 0. При r(h, 180) - r(h, 0) < 0 имеет место противоположная ситуация: вершины элементов рельефа смещаются в сторону радиусов r, соответствующих полярному углу φ = 180^о, и форма элемента рельефа получается более крутой со стороны тех же радиусов.

При обтекании потоком сплошной среды в пристеночной области на расстоянии 0,005-0,3 толщины пограничного слоя или эквивалентного гидравлического диаметра канала δ [3] формируются трехмерные поля скорости и давления потока сплошной среды. Трехмерность полей скорости и давления наряду с возникающими силами инерции в пристеночных слоях течения вследствие обтекания потоком вогнутых или выпуклых элементов рельефа, закруглений и участков перехода приводит к рождению гертлеровских и других динамических крупномасштабных вихревых структур, в том числе смерчеобразных. Указанные диапазоны размеров элементов рельефа, закруглений и участков перехода обеспечивают развитие динамических, т.е. нестационарных вихревых структур, приводящее к их самоорганизации, благоприятной с точки зрения интенсификации тепломассообмена и других процессов в пограничных или пристеночных слоях течения сплошных сред.

Совместный выбор коэффициентов А₁, А₂ в указанных диапазонах вместе с условием r(h, 0) > r(h, 180) или r(h, 0) < r(h, 180) позволяет управлять рождением и развитием крупномасштабных вихревых динамических структур в областях над трехмерными вогнутыми или выпуклыми элементами рельефа и участками перехода предлагаемой поверхности обтекания. Это отражается как на суммарных интенсивностях переноса тепла, массы и импульса между потоком сплошной среды и поверхностью обтекания, на соотношениях приростов интенсивности переноса тепла, массы и импульса по сравнению с гладкой (плоской) поверхностью, так и на дифференциальном распределении по поверхности обтекания напряжения трения, локального давления и потока тепла. Таким образом, тот или иной выбор коэффициентов А₁, А₂ и соотношения между r(h, 0) и r(h, 180) позволяет в конечном итоге управлять процессами переноса импульса, тепла и массы.

Плавные формы вогнутых или выпуклых трехмерных элементов рельефа, наличие участка перехода в виде поверхности двоякой кривизны между этими элементами по предлагаемому изобретению обеспечивают динамичность крупномасштабных вихревых структур, возможность их подстройки к основному течению, что и находит свое отражение в отстающем росте гидросопротивления по сравнению с ростом интенсивности тепло- или массообмена, а в некоторых случаях в снижении гидросопротивления относительно гидросопротивления гладких поверхностей.

Помимо этого реализация предлагаемого устройства приводит к заметному уменьшению отложения содержащихся в теплоносителе посторонних примесей на поверхность обтекания. Этот факт связан с направленностью развития гертлеровских и смерчеобразных вихревых структур, активизирующих перенос массы, в том числе примесей от стенки в ядро потока.

П р и м е р реализации технического решения по предлагаемому изобретению.

Коаксиальный (кольцевой) канал образован двумя трубчатыми поверхностями - внутренней поверхностью внешней трубы и внешней поверхностью внутренней трубы. На внешней поверхности внутренней трубы выполнены трехмерные вогнутые элементы рельефа с закруглением и участки перехода. Эквивалентный гидравлический диаметр δ кольцевого канала составляет 2,4 мм. Параметры трехмерных элементов рельефа, закруглений, участков перехода, а также параметры, характеризующие размещение вершин элементов рельефа, благоприятные с точки зрения интенсификации тепло- и массообмена при отстающем росте гидравлического сопротивления, составляют:
высота элементов рельефа h = 0,5 мм (или h = 0,208 δ, согласно (3);
элементы рельефа расположены своими вершинами в вершинах ромба со сторонами длиной 3,66 мм, острый угол ромба γ = 48,4^о, причем отсчет полярного угла φ принят от оси, параллельной наибольшей диагонали ромба;
расстояния от оси Z до линии, ограничивающей вогнутый элемент рельефа (т. е. до замкнутой линии 7, отделяющей закругление 2 от участка 3 перехода), в направлении радиусов r(h, 0) и r(h, 180), соответствующих полярным углам φ = 0 и φ = 180^о, r(h, 0) = r(h, 180) = 1,39 мм;
длина элемента рельефа по прямой, параллельной большой диагонали ромба r(h, 180) + r(h, 0) = 2,79 мм (или 5,58 высот h, согласно (4);
длина закругления по прямой, параллельной большой диагонали ромба, l₃ = 0,44 мм (или l₃ = 0,16[r(h, 180) + r(h, 0)], согласно (5);
длина участка перехода по прямой, параллельной большой диагонали ромба l_п =0,87 мм (или l_п = 0,31[r(h, 180) + r(h, 0)], согласно (6);
коэффициенты А₁ = -0,114, А₂ = 0, что обеспечивает согласно (1) r(h, 90)/r(h, 0) = 0,82;
радиус кривизны участка перехода в его сечении, перпендикулярном плоскости, в которой лежат ближайшие три вершины элементов рельефа, вдоль большой диагонали ромба R₁ ≥ 3 мм (или R₁≥ 6h), согласно (2);
радиус кривизны участка перехода в его сечении, перпендикулярном плоскости, в которой лежат ближайшие три вершины, вдоль малой диагонали ромба R₂ ≥ 1,5 мм (или R₂≥3h), согласно (2);
В соответствии с данными теплофизических исследований, проведенными авторами, величина интенсификации тепломассообмена составляет в случае воды в качества теплоносителя Nu/Nu_o = 2,2-2,7 при числе Рейнольдса в диапазоне (0,9-1,5) ˙ 10⁵, где Nu_o - число Нуссельта для гладкой поверхности обтекания, т.е. гладкой внешней поверхности внутренней трубы в кольцевом канале, описанном выше, Nu - число Нуссельта для поверхности обтекания - внешней поверхности внутренней трубы в том же кольцевом канале, с распределенными по этой поверхности вогнутыми элементами рельефа, сопряженными закруглениями с участками перехода с указанными выше параметрами. Соответствующее отношение коэффициентов гидравлического сопротивления ζ /ζ_o составляет 1,06-1,12, где ζ_o - коэффициент гидравлического сопротивления для гладкой поверхности обтекания; ζ - тот же коэффициент для случая, когда внешняя поверхность внутренней трубы формована указанными трехмерными элементами рельефа.

Выбор угла γ = 48,4^о у ромба, в вершинах которого расположены трехмерные вогнутые элементы рельефа, обусловлен в данном конкретном примере следующими обстоятельствами. Элементы рельефа необходимо расположить таким образом, чтобы формируемые вышележащим по потоку сплошной среды элементом рельефа крупномасштабные динамические вихревые структуры достигали при изменении своей ориентации в силу их динамичности поочередно одного из двух нижележащих по потоку сплошной среды элементов рельефа. Это достигается при течении потока сплошной среды вдоль большой диагонали ромба тем, что меньшая диагональ ромба составляет 0,45 от большей диагонали. При этом острый угол при вершине ромба, соответствующий данному соотношению длин диагоналей, γ = 48,4^о. Расстояние между вершинами соседних вогнутых элементов рельефа вдоль малой диагонали составляет 0,82 аналогичного расстояния вдоль сторон ромба. С целью обеспечить то же соотношение длин закругления, участка перехода с размером вогнутого элемента вдоль малой диагонали, как это имеет место вдоль стороны ромба, принимаются значения коэффициентов А₁ = -0,114 и А₂ = 0 так, чтобы согласно (1) получалось r(h, 90)/r(h, 0)= 0,82.

Этот пример демонстрирует управление формированием динамических вихревых структур, позволяющее достигать наибольшей интенсификации тепло- и массообмена при отстающем росте гидравлического сопротивления.

Плавность обтекаемых трехмерных элементов рельефа по предлагаемому изобретению обусловливает также повышенную коррозионную стойкость обтекаемой поверхности при использовании сплошных сред, обычно влекущих процессы коррозии. Особенности массопереноса за счет возникающих крупномасштабных вихревых структур снижают в соответствии с данными экспериментов вероятность возникновения электрохимических процессов на формованной поверхности заявляемого устройства.

Применение указанной поверхности обтекания приводит к заметному увеличению критических тепловых потоков в широких диапазонах давления, массовой скорости теплоносителя и относительного паросодержания в нем. Сдвижка кризиса теплоотдачи в сторону больших тепловых нагрузок обусловлена образованием при обтекании потоком формованной указанными элементами рельефа нагреваемой поверхности крупномасштабных самоорганизующихся, в том числе смерчеобразных структур, с помощью которых осуществляется эвакуация с окружающей вогнутость или выпуклость области паровых пузырей с выносом их из пристенного слоя в ядро потока. Этому также благоприятствует трехмерность и плавность элементов, рельефа, способствующая смене направлений ориентации и закрутки вихревых структур.

Claims

1. ПОВЕРХНОСТЬ ОБТЕКАНИЯ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ВИХРЕВЫХ СТРУКТУР В ПОГРАНИЧНЫХ И ПРИСТЕННЫХ СЛОЯХ ПОТОКОВ СПЛОШНЫХ СРЕД, содержащая распределенные по поверхности и сопряженные закруглениями с участками перехода трехмерные профилированные вогнутые или выпуклые элементы рельефа, любое сечение которых, параллельное плоскости, в которой лежат ближайшие три вершины этих элементов, имеет форму плавной замкнутой линии, отличающаяся тем, что участки перехода выполнены двоякой кривизны и плавно сопряжены закруглениями с элементами рельефа, а последние от вершины до закругления профилированы в соответствии с зависимостью
r(z, φ)=

r(h,0) -

+ [r(h,180)-r(h,0)]

-

sin

+
+A₁r(h,o)

sin

-

sin

+A₂r(h,o)

sin

-

sin

где r , φ , z - цилиндрические координаты с началом в вершине элемента рельефа, причем
r(z , φ) - текущий радиус плавной замкнутой линии в указанном сечении элемента рельефа;
φ - текущий полярный угол между соответствующим радиусом и осью, выбранной в этом сечении;
z - расстояние от этого сечения до вершины;
h - высота элемента рельефа от вершины до начала участка перехода;
l_з - длина закругления по прямой, параллельной отрезку, соединяющему вершины соседних элементов рельефа;
K = 0,3 - 0,7 - коэффициент кривизны элемента рельефа;
A_i = - 0,25 - 0,25 - коэффициент вытянутости замкнутой линии в указанном сечении в диапазоне полярных углов 70 - 110^o,
A₂ = - 0,25 - 0,25 - коэффициент вытянутости и сплюснутости замкнутой линии в указанном сечении соответственно в диапазонах полярных углов 30 - 70^o и 110 - 150^o,
при этом радиусы кривизны участков перехода выбирают из соотношения
R₁ _, ₂ ≥ 3h ,
высота элементов рельефа выбирается из соотношения
h = (0,005-0,3) δ ,
где δ - толщина пограничного слоя или размер эквивалентного гидравлического диаметра канала, сечения, сопрягаемые с закруглениями, выполняются в соответствии с соотношением
r (h,180) + r(h,0) = (2 - 40)h,
закругления выполняются в соответствии с соотношением
l_з = (0,05 - 0,3)[r(h,180) + r(h,0)],
а участки перехода выполняются в соответствии с соотношением
l_п = (0,05 - 3) [r(h,180) + r(h,0)],
где l_п - длина участка перехода по прямой, параллельной отрезку, соединяющему вершины соседних элементов рельефа.

2. Поверхность по п.1, отличающаяся тем, что элементы рельефа распределены по поверхности в вершинах параллелограмма с длинами сторон, составляющими (1,05 - 4) [r(h,180) + r(h,0)] и углом при вершине параллелограмма γ = 20-90^o .