Теплообмен в дозвуковых отрывных потоках

Ìîíîãðàôèè ÍÃÒÓ

Ñåðèÿ îñíîâàíà â 2004 ãîäó

 
 
 
 
 
 
 
РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ 
СЕРИИ «МОНОГРАФИИ НГТУ» 
 
 
д-р техн. наук, проф. (председатель) А.А. Батаев 
д-р техн. наук, проф. (зам. председателя) А.Г. Вострецов 
д-р техн. наук, проф. (отв. секретарь) В.Н. Васюков 
 
д-р техн. наук, проф. А.А. Воевода 
д-р техн. наук, проф. В.И. Денисов 
д-р физ.-мат. наук, проф. А.К. Дмитриев 
д-р физ.-мат. наук, проф. В.Г. Дубровский 
д-р филос. наук, проф. В.И. Игнатьев 
д-р филос. наук, проф. В.В. Крюков 
д-р соц. наук, проф. Л.А. Осьмук 
д-р техн. наук, проф. Н.В. Пустовой 
д-р техн. наук, проф. Г.И. Расторгуев 
д-р физ.-мат. наук, проф. В.А. Селезнев 
д-р техн. наук, проф. Ю.Г. Соловейчик 
д-р техн. наук, проф. А.А. Спектор 
д-р техн. наук, проф. А.Г. Фишов 
д-р экон. наук, проф. М.В. Хайруллина 
д-р техн. наук, проф. В.А. Хрусталев 
д-р техн. наук, проф. А.Ф. Шевченко 
 
 
 

НОВОСИБИРСК

2 0 1 8

ÒÅÏËÎÎÁÌÅÍ
 ÄÎÇÂÓÊÎÂÛÕ

ÎÒÐÛÂÍÛÕ ÏÎÒÎÊÀÕ

УДК 533.6.011.32:536.2 
         Т 343 
 
 
Коллектив авторов: 
В.И. Терехов, Т.В. Богатко, А.Ю.Дьяченко,  
Я.И. Смульский, Н.И. Ярыгина 
 
 
Рецензенты: 
д-р техн. наук профессор В.В. Ларичкин, 
член-корреспондент РАН С.В. Алексеенко 
 
Т 343  
Теплообмен в дозвуковых отрывных потоках: монография / 
колл. авторов; под редакцией В.И. Терехова. – Новосибирск:  
Изд-во НГТУ, 2018. – 247 с., цв. ил. (серия «Монографии НГТУ»). 

ISBN 978-5-7782-3465-9 

Представлены результаты экспериментального и численного исследования динамических и тепловых  характеристик дозвуковых отрывных потоков, образующихся за различными преградами. Рассмотрены картины обтекания обратной ступеньки, одиночного ребра и 
прямоугольной каверны, являющиеся в настоящее время классическими задачами аэрогидродинамики и тепломассопереноса. Последовательно изучены более сложные случаи развития отрывных течений за 
преградами: обтекание ребра и системы ребер, расположенных под 
разными углами к направлению потока, ступеньки со скошенной обратной стенкой, каверн с наклонными стенками, а также отсоединенных ребер. Исследовано влияние различных факторов на динамику отрывного течения и турбулентный теплообмен.  
Книга адресована научным работникам и инженерам, специализирующимся в области механики и теплофизики турбулентных течений, а 
также преподавателям, аспирантам и студентам высших учебных заведений. 
 
УДК 533.6.011.32:536.2 
 
ISBN 978-5-7782-3465-9 
 Коллектив авторов, 2016, 2018 
 
 Новосибирский государственный 
 
    технический университет, 2016, 2018 

NOVOSIBIRSK

2 0 1 8

HEAT TRANSFER

IN SUBSONIC

SEPARATED FLOWS

УДК 533.6.011.32:536.2 
         Т 343 
 
 
Composite authors: 
V.I. Terekhov, T.V. Bogatko, A.Yu. Dyachenko,  
Ya.I. Smulskiy, N.I. Yarygina 
 
 
 
Reviewers: 
V.V. Larichkin, Prof. D.Sc. (Eng.) 
S.V. Alekseenko, Corresponding Member of RAS 
 
Т 343  
Heat Transfer in the Subsonic Separated Flows: monograph / 
composite authors: edited by V.I. Terekhov. – Novosibirsk: NSTU, 
2018. – 247 p. (“NSTU Monographs”series). 

ISBN 978-5-7782-3465-9 

The results of experimental and numerical studies of dynamic and thermal characteristics of the subsonic separated flow formed behind various obstacles are presented. The patterns of the flow around a back-facing step, a 
single rib, and a rectangular cavity, which are now a classical problem of 
aerodynamics and heat and mass transfer, are considered. More complicated 
cases of separated flow development behind the obstacles (flows around a 
rib or a rib system placed at different angles to the flow direction, a step with 
an inclined back wall, cavities with sloping walls, and disconnected ribs) 
were studied sequentially. The effect of various factors on the separated flow 
dynamics and turbulent heat transfer was investigated. 
The book is addressed to scientists and engineers specializing in mechanics and thermal physics of turbulent flows as well as teachers and students of higher educational institutions. 
 
УДК 533.6.011.32:536.2 
 
 
ISBN 978-5-7782-3465-9 
© Collective of authors, 2016, 2018 
 
© Novosibirsk State 
  
    Technical University, 2016, 2018 

ÏÐÅÄÈÑËÎÂÈÅ 

 

 
7 

 
 
 
 
 
 
 
ÏÐÅÄÈÑËÎÂÈÅ 

трывные течения наблюдаются во многих технических 
устройствах, на поверхностях летательных аппаратов и водного транспорта – там, где имеет место изменение геометрии проточных 
трактов теплообменных каналов. Отрывом потока сопровождаются и 
природные явления, возникающие в атмосфере и океане. Как правило, 
отрыв потока оказывает негативные эффекты вследствие роста аэродинамических потерь, дополнительного вихреобразования и турбулизации течения, снижения подъемной силы крыла, а также локальных 
перегревов обтекаемых поверхностей. С другой стороны, отрыв течения и его повторное присоединение могут служить мощным средством 
интенсификации тепломассообменных процессов, причем его организация достаточно проста и надежна в технологическом отношении. 
Поэтому интерес к данной проблеме не ослабевает на протяжении длительного периода времени. 
Сложность и многообразие отрывных течений, чрезвычайная важность их для инженерной практики стимулировали постановку обширных экспериментальных программ, а возрастающие в последнее время 
вычислительные возможности компьютерной техники, развитие новых 
физико-математических моделей и численных методов создали дополнительный инструмент для исследования таких течений.  
История вопроса о динамике и теплообмене в отрывных потоках 
богата и многогранна. Ее достаточно сложно детально обрисовать в 
рамках одной книги, несмотря на то что ряд вопросов рассмотрен в 
классических монографиях [5, 11–13] и многочисленных обобщающих 
работах, появившихся в последние годы [3, 4, 10, 14, 15]. При этом 
следует отметить, что большее внимание в упомянутых изданиях  
уделено изучению аэродинамических аспектов: структуре течения, полям давления, сопротивлению и турбулентным характеристикам.  

Î

 

В меньшей мере, на наш взгляд, нашли отражение результаты исследований процессов пристенного тепло- и массопереноса, хотя важность 
таких данных неоспорима.  
По этой причине в данной книге практически во всех ее разделах 
сделан акцент на анализе тепловых характеристик отрывных потоков, 
а также на возможности управления интенсивностью теплообменных 
процессов с точки зрения как их интенсификации, так и подавления. 
Отрывные течения обладают большим разнообразием, а сценарии 
их развития имеют сходственные и отличительные черты. Некоторые 
из них, такие как отрыв за обратной ступенькой или при внезапном 
расширении канала, за тонким ребром и в квадратной каверне, стали 
классическими объектами для верификаций новых теоретических моделей. Тем не менее даже для этих относительно простых и хорошо 
изученных случаев отрыва потока остается еще много вопросов, требующих детального исследования.  
В первой главе предлагаются введение в проблему и классификация 
отрывных потоков, описываются основные особенности их формирования, характерные зоны и наиболее важные параметры, влияющие на 
распределение динамических и тепловых характеристик. Краткий обзор современного состояния изучаемой проблемы дает общее представление о достижениях в этой области и имеющихся нерешенных 
задачах как в экспериментальных, так и численных исследованиях. 
Вторая глава посвящена отрывным ламинарным потокам, изучение которых имеет не только фундаментальное, но и большое практическое значение для развития новых технологий с микроканальными 
течениями, где возможно формирование отрывных зон. Исследования 
в этой области в последнее время чрезвычайно бурно развиваются.  
В качестве примера рассматриваются особенности вихреобразования и 
теплообмена за обратной ступенькой при изменяемой тепловой и динамической предыстории течения, в том числе и для обтекания прямоугольной каверны. Детально описан механизм деформации отрывного 
пузыря при наличии на стенке, к которой повторно присоединяется 
поток пористого вдува или отсоса. 
Отличительные особенности и общие закономерности обтекания 
обратного уступа и одиночного ребра турбулентным потоком рассмотрены в третьей главе. Здесь же описываются экспериментальные 
установки, рабочие участки и методики измерения. Изучается один из 

ÏÐÅÄÈÑËÎÂÈÅ 

 

 
9 

интересных вопросов сложного механизма отрыва потока при наложенной высокой внешней турбулентности. 
Одним из наиболее распространенных и эффективных методов интенсификации теплообмена в каналах является их оребрение. Причем 
ребра на поверхности могут устанавливаться под различными углами к 
потоку, что создает сложное, существенно трехмерное отрывное течение. Поиск оптимального варианта расположения ребер на теплообменных поверхностях представляет собой важную фундаментальную и 
практическую задачу при создании новых схем компактных теплообменных аппаратов. В четвертой главе представлены результаты экспериментального исследования теплоотдачи от одиночного ребра, ориентированного под различными углами к направлению течения. Здесь 
же рассмотрены особенности поведения локальной и средней теплоотдачи при обтекании системы ребер, а также при обтекании их высокотурбулентным внешним потоком. 
Обтекание каверн, расположенных на поверхности, давно привлекает внимание специалистов в области аэромеханики и теплофизики. 
Накопленный материал по этой проблеме противоречив, поскольку 
структура течения и теплообмен в кавернах зависят от большого числа 
факторов. В пятой главе представлены опытные данные по изучению 
вихреобразования и теплоотдачи в кавернах различной геометрии. 
Особенно детально изучены каверны с наклонными передней и задней 
стенками. Отметим, что подобные конфигурации типичны для большого числа теплообменных аппаратов в различных энергоустановках. 
В этой главе рассмотрены также потенциальные возможности некоторых методов интенсификации и ослабления теплоотдачи внутри каверн, в том числе и при высокой турбулентности течения, что является 
характерным для условий работы реальных теплообменных устройств. 
Форма каналов в значительной мере сказывается на развитии отрывных потоков в основном из-за образования вторичных течений. 
Наиболее простой и распространенной в теплообменной аппаратуре 
формой являются круглые трубы. В шестой главе рассмотрен широкий 
класс задач турбулентного течения в трубах при наличии отрыва потока. В основном здесь представлены результаты численных исследований течения и теплообмена при внезапном расширении трубы, при 
влиянии динамической и тепловой предыстории на развитие отрыва; 
закономерности теплоотдачи за интенсификаторами теплообмена  

различной формы; особенности процессов переноса за отсоединенными диафрагмами и др. Эти данные дают наглядное представление о 
физике процессов переноса в отрывных потоках в различных условиях, 
а также будут полезны при инженерных оценках теплогидравлической 
эффективности различных интенсификаторов теплообмена. 
Данная книга не может претендовать на полноту изложения всего 
спектра проблем, связанных с отрывом потока. За ее пределами оказались проблемы сжимаемых течений, обтекания трехмерных впадин и 
выступов, в том числе лунок, вихрегенераторов различной формы, активного и пассивного воздействия на отрывные течения. Очевидно, 
что все они требуют отдельного рассмотрения.  
В монографии представлены преимущественно результаты, полученные авторами в Институте теплофизики им. С.С. Кутателадзе за 
последние два десятилетия. В исследованиях принимали участие  
многие студенты и аспиранты Новосибирского государственного технического университета. Всем им авторы выражают искреннюю признательность. Авторы также благодарны коллегам из отдела термогазодинамики ИТ СО РАН, специалистам-исследователям из большого 
числа научных центров страны, ближнего и дальнего зарубежья за 
многолетнее плодотворное сотрудничество и творческое общение. 
Особую благодарность авторы выражают члену-корреспонденту 
РАН С.В. Алексеенко и профессору В.В. Ларичкину, взявших на себя 
большой труд по рецензированию рукописи и высказавших много полезных критических замечаний. 
Издание монографии стало возможным благодаря поддержке Российского научного фонда (проект 14-19-00402).