1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Теплоэнергетика
  4. № 2, 2024

Теплоэнергетика, 2024, № 2, стр. 80-89

Численное исследование развитого турбулентного течения и теплоотдачи в канале прямоугольного сечения с односторонним внутренним оребрением

В. В. Рис a, *, С. А. Галаев a, А. М. Левченя a, И. Б. Писаревский a

a Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого
195251 Санкт-Петербург, Политехническая ул., д. 29, Россия

* E-mail: vvris@yandex.ru

Поступила в редакцию 25.05.2023
После доработки 02.08.2023
Принята к публикации 30.08.2023

Аннотация

Для пространственно-периодической модели односторонне оребренного канала как прототипа проточной части системы конвективного охлаждения лопатки газовой турбины получено численное решение задачи о развитом турбулентном течении и стабилизированном теплообмене при числах Рейнольдса от 5 × 104 до 2 × 105. Течение и теплообмен рассмотрены при значении числа Прандтля 0.7. Канал имеет прямоугольное сечение с отношением сторон 1.5. Ребра квадратного сечения, расположенные на одной из широких стенок и перегораживающие поперечное сечение на 10%, наклонены относительно продольной оси канала на 45°. Для количественной оценки влияния оребрения на течение и теплообмен интегральные параметры: коэффициент гидравлических потерь и число Нуссельта – сеточно сошедшегося решения соотносятся с интегральными параметрами развитого течения и стабилизированного теплообмена в гладком канале, найденными тем же численным методом. Результаты численного моделирования для оребренного канала сопоставлены также с опубликованными данными эксперимента, полученными в отчасти сходных условиях. Расчетные данные для коэффициента гидравлических потерь хорошо согласуются с результатами эксперимента. Расчетные данные для теплоотдачи отличаются от экспериментальных не более чем на 11%, однако тенденции изменения теплоотдачи с ростом числа Рейнольдса в численном и физическом моделировании получились разными. Это различие, вероятно, связано с тем, что в коротком экспериментальном канале не удалось достигнуть стабилизации теплоотдачи. Получены аналитические степенные зависимости от числа Рейнольдса для коэффициента гидравлических потерь и чисел Нуссельта, относящихся ко всем стенкам канала и только к оребренной стенке. Отмечено, что коэффициент гидравлических потерь слабо зависит от числа Рейнольдса, что характерно для местных сопротивлений, а зависимости для чисел Нуссельта с поправкой на специфику задачи близки к зависимостям для пристенных слоев и течений в гладких каналах.

Ключевые слова: охлаждаемая лопатка, канал, внутреннее оребрение, турбулентное течение, турбулентная вязкость, коэффициент гидравлических потерь, интенсификация теплоотдачи, численное моделирование, квазиструктурированные сетки

Список литературы

  1. Shih T., Yang V. Turbine aerodynamics, heat transfer, materials, and mechanics // Progress in Astronautics and Aeronautics. V. 243. Atlanta, Georgia, USA: American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2014. https://doi.org/10.2514/4.102660

  2. Калинин Э.К., Дрейцер Г.А., Ярхо С.А. Интенсификация теплообмена в каналах. М.: Машиностроение, 1972.

  3. Alsaleem S.M., Wright L.M., Han J.-C. Effect of the number of ribbed walls on the thermal performance in rectangular channels with 45-deg parallel or criss-cross ribs // Int. J. Heat Mass Transfer. 2023. V. 207. P. 123982. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2023.123982

  4. Han J.-C., Dutta S., Ekkad S. Gas turbine heat transfer and cooling technology. CRC Press, 2013.

  5. Rallabandi A.P., Alkhamis N., Han J.-C. Heat transfer and pressure drop measurements for a square channel with 45 deg round-edged ribs at high Reynolds numbers // J. Turbomach. 2011. V. 133. Is. 3. P. 031019. https://doi.org/10.1115/1.4001243

  6. On flow structure, heat transfer and pressure drop in varying aspect ratio two-pass rectangular channel with ribs at 45° / W. Siddique, I.V. Shevchuk, L. El-Gabry, N.B. Hushmandi, T.H. Fransson // Heat Mass Transfer. 2013. V. 49. P. 679–694. https://doi.org/10.1007/s00231-013-1111-5

  7. Baybuzenko I. Local heat transfer and friction measurements in ribbed channel at high Reynolds numbers // Proc. of the ASME Turbo Expo 2021: Turbomachinery Technical Conf. and Exposition. 7–11 June 2021. Virtual, online. https://doi.org/10.1115/GT2021-00259

  8. Байбузенко И.Н. Совершенствование воздушно-конвективных систем охлаждения лопаток турбин с внутриканальным оребрением для энергетических газотурбинных установок большой мощности: дис. … канд. техн. наук. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019.

  9. Dwivedi M.K., Choudhary M. Effect of various rib geometries on the heat transfer and friction characteristics of solar air heater: A review // Mater. Today: Proc. 2022. V. 63. P. 272–282. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2022.03.072

  10. Patankar S.V., Liu C.H., Sparrow E.M. Fully developed flow and heat transfer in ducts having streamwise-periodic variations of cross-sectional area // J. Heat Transfer. 1977. V. 99. Is. 2. P. 180–186. https://doi.org/10.1115/1.3450666

  11. Флетчер К. Вычислительные методы в динамике жидкостей. В 2 т. Т. 1 / пер. с англ. М.: Мир, 1991.

  12. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. 7-е изд. М.: Дрофа, 2003.

  13. Петухов Б.С., Кириллов В.В. К вопросу о теплообмене при турбулентном течении жидкости в трубах // Теплоэнергетика. 1958. № 4. С. 63–68.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Теплоэнергетика

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал