Вторичные течения Прандтля 2-го рода в пространственно-неравновесном турбулентном течении

Аннотация

Проведено численное исследование турбулентного течения и теплообмена в плоском канале. Изучены особенности вторичных течений Прандтля 2-го рода, возникающих в окрестности продольных рёбер на стенках канала в условиях пространственной неоднородности потока. Проведены расчёты четырёх турбулентных течений: течения в однородном по длине гладком канале, в однородном оребрённом канале, а также течений в гладком и оребрённом каналах с изменяющейся по длине средней скоростью. Обнаружено, что наличие ребра в однородном канале значительно влияет на распределения характеристик турбулентного течения по сечению канала. Эти изменения обусловлены действием возникающего вторичного течения с максимальной скоростью, составляющей 5.2% от средней расходной скорости потока. При этом изменения в скоростных и тепловых характеристиках оказываются подобными. Как трение, так и теплообмен возрастают примерно на 10% благодаря увеличению площади смачиваемой поверхности. Неоднородность потока, которая обеспечивается организацией вдува и отсоса через верхнюю стенку канала, приводит к более заметной перестройке течения. На участках замедления потока жидкость движется в условиях неблагоприятного градиента давления, интенсивность турбулентных пульсаций в этих местах становится заметно выше. При наличии оребрения это приводит к существенному усилению вторичных течений. Как в гладком, так и в оребрённом каналах зафиксировано повышение коэффициента аналогии Рейнольдса до значения 1.07, что на 6% превышает показатель в однородном течении. В целом по результатам настоящей работы можно сделать вывод, что продольное оребрение едва ли способно существенно изменять теплогидравлические свойства плоской поверхности в турбулентном потоке, по крайней мере, без принятия специальных оптимизационных мер. Пространственная неоднородность потока, наоборот, в силу разного воздействия на распределения скорости и температуры имеет определённый потенциал для конструирования теплообменных устройств с более подходящими теплогидравлическими свойствами.