Структура и режимы двухфазных течений

Особенности гидравлических характеристик потока в канале с оребренными скрученными лентами

The main features of hydraulic characteristics of the flow in ducts with discrete finned swirling planes

Тарасевич С.Э., Яковлев А.Б., Гиниятуллин А.А., Шишкин А.В.

Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева (КГТУ-КАИ)

The study aims to understand the effects of discrete ribs of swirling planes on hydraulic structure and heat transfer in one and two phase flow through systematic series of experimental and numerical studies. The numerical studies have been conducted in terms of Ansys Fluent code.

Проблема интенсификации тепломассообменных процессов имеет важное значение в совершенствовании  и создании новых энергетических и теплообменных ап­паратов. Среди множества способов интенсификации теплообмена закрутка потоков является одним из наиболее простых и распространенных способов интенсификации и широко используется в энергонапря­женных каналах ядерно-энергетических установок, теплообмен­ников, а также аппаратов авиационной и ракетно-космической техники. Закрутка может осуществляться различными устройствами, среди которых скрученные ленты являются наиболее технологичными и распространенными. Наиболее эффективно использование скрученных лент при кипении, для продления безкризисных режимов теплообмена и увеличения коэффициентов теплоотдачи. Однако при кипении в трубах со скрученными лентами наблюдается устойчивые шнуровидные течения, выражающиеся в том, что часть теплоносителя течет по поверхности ленты. Одним из способов  разрушения «шнура» является использование лент с ребрами, установленными под углом к оси, которые позволяют смещать часть теплоносителя движущегося по ленте непосредственно к теплообменной поверхности а также дискретно турбулизировать поток. Для изучения влияния ореберения поверхности лент было решено разделить исследования на две части:

1.                Исследование гидродинамики адиабатного газожидкостного потока в каналах с непрерывной закруткой.

2.                Экспериментальное и численное исследование теплоотдачи в трубах со скрученными лентами, имеющими оребрение для потоков однофазной жидкости.

Особенности структуры, границы и карты двухфазных адиабатных течений в трубах со вставленной скрученной лентой

Исследования выполнены при адиабатном двухфазном (водо-воздушном) течении (давление p=0,1…0,3 МПа). Экспериментальный участок представлял собой стеклянную трубу длиной L=800 мм, с внутренним диаметром d=18 мм и вставленной скученной лентой со степенями закрутки S/d=3…6 (S –шаг поворота ленты на 180). При визуальном исследовании структуры воздушно-водяного потока в трубах со вставленной лентой были выделены пробковый, волновой, кольцевой, дисперсный и шнуровидный режимы. При малых скоростях движения течения в трубе со скрученной лентой близки к течениям в прямых трубах.

С увеличением паросодержания до массовых значений Х<Хк почти во всем диапазоне Reо наблюдается кольцевой режим. При этом поток жидкости в поперечном сечении имеет форму неправильного кольца; центральная часть потока занята газом (рис. 1). На поверхности слоя жидкости наблюдаются волны, амплитуда которых уменьшается с увеличением скорости потока.

При Х>Хд вся жидкость движется в виде отдельного «шнура» на ленте и не отбрасывается на стенку канала (риc. 2), т.к. действие центробежных сил вблизи оси канала незначительно. Форма шнура может быть различной.

Эволюция шнуровидных течений в трубе со вставленной скрученной лентой при изменении газосодержания и различных режимных параметрах показана на рис. 3.

Х=0,76

Х=0,81

Х=0,92

Х=0,97



Gсм=7 г/с, p=0,13 МПа, s/d=3

Рис. 3 Эволюция шнуровидных течений в трубе со вставленной скрученной лентой при изменении паросодержания

Таким образом, основной особенностью структуры адиабатных двухфазных течений в трубах со вставленной скрученной лентой является то, что часть жидкой фазы всегда движется в виде струи (шнура) по центровой части ленты (где действие массовых центробежных сил незначительно), не являющейся активной теплообменной поверхностью, и не отбрасывается на стенку канала. Данный эффект, в случае кипения, может приводить к удлинению необходимой для полного испарения жидкости длины канала и возникновению более раннего кризиса теплообмена.

Использование скрученной ленты имеющей поверхностное оребрение приводит к следующим изменениям структуры двухфазного течения по сравнению с использованием простой скрученная ленты: значительно снижается количество жидкой фазы, текущей непосредственно по ленте (рис. 4). При этом отсутствие широкого шнура на ленте должно способствовать более раннему выкипанию жидкости и уменьшению требуемой длины канала.

Х=0,76

Х=0,82

Х=0,97



Gсм=15 г/с, p=0,14 МПа, s/d=3

Рис. 4 – Эволюция при изменении паросодержания двухфазных течений в трубе со вставленной скрученной лентой с ребрами в виде проволоки навитой на ленту под углом к оси ленты по направлению ее скручивания с выступом ребер над боковыми торцами ленты

Наилучшие результаты по разрушению шнуровидных течений на ленте и устойчивости кольцевого течения показало применение интенсификатора в виде скрученной ленты с ребрами на ее поверхности, расположенными под углом к оси ленты против направления ее скручивания: широкий шнур на ленте отсутствует, хотя незначительная часть жидкости в виде отдельных струек движется по периферийной части ленты, не занятой ребрами.

Исследование теплоотдачи в каналах с непрерывной закруткой

Было выполнено экспериментальное исследование теплоотдачи стальных труб со вставками в виде скрученных лент при течении воды при ламинарном режиме течения. Для организации закрутки потока в канал вставлялись гладкие ленты и ленты с дискретно оребренной поверхностью. Ребра имели разную высоту h=0,5-1 мм и три вида конструктивного исполнения:

1.             Ленты с напаянными ребрами против направления скручивания h=0.5 мм

2.             Ленты с ребрами, образованными навивкой по направлению скручивания проволоки с контактом в торцевой точке h=1 мм.

3.             Ленты с ребрами по направлению скручивания, образованных прошивкой проволокой без контакта в торцевой точке h=1 мм.

Лента покрывалась высокотемпературным лаком для обеспечения электрической изоляции со стенкой канала. Относительные шаги закрутки ленты при повороте на 1800 составляли S/d=2.5…6. Шаг установки ребер составлял t=S/2.

При установке скрученной ленты наблюдается значительное увеличение теплоотдачи до 3.5 раз (рис. 5) при ламинарном течении, по сравнению с гладкой трубой. С уменьшением относительного шага закрутки ленты теплоотдача растет (рис. 5-7). Дискретное оребрение поверхности лент интенсифицирует теплоотдачу до 67% (рис. 5) по сравнению с гладкими лентами за счет того, что часть теплоносителя, движущегося вдоль самой ленты, смещается непосредственно к теплообменной поверхности канала, в который вставлена скрученная лента, а также дискретно турбулизируют поток. К наибольшей интенсификации приводят ленты с ребрами (h=0.5 мм), напаянными против направления скручивания ленты, а также ребрами, образованными навитой на ленту по направлению скручивания проволокой (h=1 мм).  Однако их примерно одинаковый уровень интенсификации достигается при большей высоте ребер последних. Поэтому можно предположить, что теплогидравлическая эффективность лент с  ребрами (h=0.5 мм), напаянными против направления скручивания ленты будет выше, чем лент с навивкой. На рис. 3.8 представлена зависимость числа Нуссельта от относительного шага закрутки S/d при Re=idem. Можно отметить, что зависимость Nu=f(S/d) не линейна, и будет иметь экстремум. Это в большей степени проявляется при увеличении числа Рейнольдса Re.

Рис. 8 Зависимость числа Нуссельта от относительного шага закрутки S/d при Re=idem.

В ходе компьютерного моделирования были получены поля скоростей и температур в сечениях канала рис. 9-10.  На (Рис. 9) показано смещение профиля осевой скорости по длине под действием центробежной силы к вогнутой поверхности канала. Как видно из представленных графиков, у центральной части ленты и у стенки  напротив, существует область с уменьшенной осевой скоростью. Следует отметить что в этих же областях происходит образование «шнура» в случае течения газо- либо парожидкостного потока. Поэтому можно предположить, что это явление носит чисто гидродинамический характер и обусловлено особенностями течения в трубах со вставками в виде скрученных лент.

Сравнивая данные по профилям скорости, полученные для различных относительных шагов закрутки можно сказать, что с его уменьшением шага закрутки происходит все большее смещение максимума профиля осевой скорости к вогнутой стенке трубы.

Температура стенки по длине возрастает рис. 11, причем отчетливо наблюдается существенная неравномерность температуры по периметру в каждом сечении стенки канала. На рис. 12 представлен график изменения температуры стенки в осевом направлении в пределах шага ленты для трубы с лентой S/d 2.5. Видно, что разница температур достигает 12 градусов. Это объясняет более высокую эффективность ребер, напаянных против направления скручивания ленты. Данные ребра помимо дискретной турбулизации потока, смещают часть теплоносителя, движущегося по ленте именно в зону с повышенной температурой стенки, тем самым частично выравнивая неравномерность профиля температур и осевой скорости в сечении. А ленты с ребрами, установленные по направления скручивания наоборот еще больше смещают теплоноситель к задней образующей ленты.

Рис. 9 Изменение профиля осевой скорости