Экспериментальное исследование интенсификации теплообмена электрическим ветром

    При малых напряжениях высоковольтного  источника образуется вихрь воздуха, который затрудняет теплообмен. Однако при увеличении напряжений в обоих случаях вихрь исчезает. Конечно, при расположении игл напротив центра пластины это происходит при меньшем напряжении, чем в случае расположения игл вверху. Это обусловлено тем, что при расположении активного электрода в центре скорость воздуха, величину которой можно оценить исходя из значения силы тока, в главной струе больше чем при расположении сверху при том же напряжении в цепи. График зависимости величины перегрева от силы тока в цепи высокого напряжения для обоих случаев представлен на рис. 26. 

    

    Рис.26. Величина перегрева в зависимости от силы тока 

    По  теневым картинам, представленным в  таблице 3 видно, что при расположении игл напротив центра пластины, в  отсутствие ветра распределение  градиента температуры выглядит симметрично относительно центральной струи ветра (центральная струя направлена от игл к пластине перпендикулярно последней).  Увеличение толщины теплового пристеночного факела от центра к краям происходит схоже для нижней и верхней половин пластины, в то время как при расположении активного электрода сверху увеличение толщины теплового факела происходит несимметрично. Максимальная толщина наблюдается в нижней части пластины.

    Приведенная зависимость перегрева пластины от силы тока в цепи указывает на то, что интенсификация теплообмена электрическим ветром даже в отсутствие вихря всегда более эффективна при расположении активного электрода напротив центральной части пластины.

    Для объяснения полученного результата было выдвинуто предположение. Согласно ему, при расположении активного электрода напротив центральной части пластины, разделение центральной струи электрического ветра на два потока воздуха, движущихся вдоль пластины в разные стороны приводит к тому, что значение коэффициента конвекции, интегрированное вдоль поверхности нагревателя (в двумерном случае) становится выше, чем в случае с активным электродом расположенным вверху. При этом в случае расположения игл напротив верхней части пластины, струя, движущаяся вдоль нее, только одна и к нижней точке пластины она подходит уже нагретой. Максимальный локальный коэффициент конвекции находится в месте попадания центральной струи в нагреватель, так как струя поставляет нагревателю холодный воздух. Однако более эффективное охлаждение будет происходить в случае, когда выше интегральное значение коэффициента конвекции вдоль всей пластины. 

Численное моделирование. 

    Для подтверждения данного предположения  было проведено численное моделирование в пакете CFX. Была рассмотрена модель, бесконечно протяженная вдоль оси OZ. Ось OZ совпадает с направлением оптической оси прибора в эксперименте. Геометрия и сетка построена в ANSYS Workbench отдельно для областей твердых тел, и окружающего воздуха. Все сетки гексагональные упорядоченные. Размер элементов в области пограничного слоя 0,2-0,5 мм, в области окружающего воздуха 0,5-1,5 мм. Размеры рассматриваемой области: высота 300 мм, ширина 150 мм (рис. 27). Размеры пластины нагревателя: ширина 3мм, высота 95 мм. Размеры пенопласта: ширина 18 мм, высота 95 мм.

    

    Рис. 27 Геометрия модели 

    Для воздуха использовалась модель материала Air 25C из библиотеки материалов CFX. Теплопроводность пенопласта 0,04 Вт/(м·К), алюминия 237 Вт/(м·К). На всех внешних границах модели использованы открытые граничные условия, температура окружающей среды 25°C. В области алюминиевой пластины задана объемная мощность выделения тепла, полная мощность 14,2  Вт. Эта величина является максимальным значением подаваемой к нагревателю мощности, использованной в эксперименте 2. Мощности больше 14,2 Вт не были исследованы экспериментально, так как этого не позволила экспериментальная установка.

    Активный  электрод в данной модели представлен  как вырезанная прямоугольная область, верхняя и нижняя граница которой – непроницаемые адиабатические стенки (рис. 27). Моделирование проводилось для двух расположений игл: центрального и верхнего (верхний край вырезанной области находился на 2,5 мм ниже верхнего края пластины). Электрический ветер был задан как скорость входящего потока на торцевой поверхности гребенки игл, которая принимала значения 0,5 м/с;1 м/с и 2 м/c что является характерными значениями скорости в центральной струе электрического ветра.

    Коэффициент серости задан для всей поверхности твердого тела равным 0.8. Условимся при рассмотрении результатов моделирования полный тепловой поток понимать как сумму конвективного и лучистого потока. При этом без дополнительных пояснений слово конвекция подразумевает перенос тепла, как за счет естественной, так и за счет вынужденной конвекции. Следует отметить, что скорость обдува нагревателя электрическим ветром значительно больше скорости естественной конвекции (0,5-2 м/с и 0,2 м/с соответственно).

    Результаты  численного моделирования естественной конвекции имеют классический вид (рис. 28). 

    

    Рис. 28.Распределение скорости в случае естественной конвекции от нагревателя. 
 

    Задача  об охлаждении нагревателя электрическим  ветром является неустойчивой в связи с постоянными колебаниями потоков воздуха. Выход задачи на стационар определялся установлением значения температуры пластины с минимальными колебаниями (рис. 29).

    

    Рис.29. Установление температуры в ходе решения. Линиями разных цветов показаны температуры различных точках пластины 

    Так как задача нестабильна, были проанализированы решения, полученные на различных итерациях. Результаты моделирования, приведенные в таблице 4, были выбраны как средние распределения. 

    Таблица 4. Распределение температуры при расположении игл в центре.

Скорость, м/с	Распределение температуры
0,5
1
2

 

    Заметно, что при скорости равной 0,5 м/с (таблица 4) на графике присутствует вихрь в области пространства возле пластины, находящейся ниже игл. Он исчезает при значениях скорости электрического ветра больших 0,5. При этом возле пенопласта возникает увеличенный поток воздуха с температурой больше температуры окружающей среды.

    Структура вихря, образующегося при скорости 0,5 м/с показана на рис.30. 

    

    Рис. 30. Распределение скоростей в вихре. 

    Возникновение вихря при малых скоростях  электрического ветра хорошо согласуется  с экспериментом (таблица 3). Заметно, как столкновение потока воздуха, вызванного естественной конвекцией и потока, обусловленного электрическим ветром, приводит к возникновению вихря.

    Схожие  распределения температуры были получены и для случая, когда иглы расположены напротив верхней части пластины: 

    

    Рис. 31. Распределение температуры при скорости электрического ветра 0.5 м/с 

    Возникновение вихря при малых скоростях  в случае, когда иглы расположены  вверху (рис.31), также хорошо согласуется с полученными экспериментальными данными (таблица 3).

    

    Рис. 32. Распределение температуры при скорости электрического ветра равной 2 м/с 

    

    Рис. 33 Распределение скоростей. 

    В результате моделирования также  были получены распределения коэффициента конвекции вдоль линии соединяющей  верхнюю и нижнюю точку нагревателя.

    Результаты  и соответствующие средние значения коэффициента конвекции приведены  в таблице 5.

    Таблица 5. Коэффициент конвекции.

Центральное положение игл	Верхнее положение  игл
23,0 Вт/(м2К)	17,08 Вт/(м2К)

 

    Средний коэффициент конвекции при моделировании естественной конвекции в той же системе составил 7,8 Вт/(м²К). В сравнении со значениями при электрическом ветре эта величина оказывается мала.

    Как показал эксперимент (рис.26), значение перегрева пластины от силы тока в цепи различно для верхнего и центрального положения игл. Скорость электрического ветра пропорциональна корню квадратному из силы тока в цепи. Для того чтобы сравнить результаты моделирования и эксперимента, необходимо использовать две экспериментальные точки, максимально близкие по значению скорости ветра, или, исходя из рисунка 26, по значению силы тока. Сравнение значений перегрева при силе тока в цепи с высоким напряжением равной 46 мкА, показало, что перегрев при расположении игл напротив верхней части пластины на 32% больше перегрева в случае, когда иглы расположены напротив центральной ее части. Результаты моделирования при наибольшем значении скорости гидродинамической струи (электрического ветра) показали, что при верхнем положении активного электрода, средний коэффициент конвекции меньше на 34 %, чем при той же скорости электрического ветра и одинаковой рассеиваемой мощности, но в центральном положении. Такое различие коэффициентов объясняется тем, что интегральная величина коэффициента конвекции больше при расположении игл в центре  (таблица 5). Полученный результат приводит выводу о том, что различие интенсивности охлаждения нагревателя электрическим ветром при различных положениях активного электрода обусловлено различием коэффициентов конвекции с поверхности нагревателя в такой системе. При этом, чем больше средний коэффициент конвекции, тем интенсивнее происходит охлаждение. Следовательно, наиболее эффективным с точки зрения интенсификации теплообмена нагревателя с окружающей средой является центральное положение активного электрода, так как интегральная величина коэффициента конвекции в этом случае максимальна.

    Однако  влияние на разницу перегревов пластины при верхнем и центральном  положении активного электрода  также будет оказывать и та часть потока тепла, которая отводится от нагревателя за счет излучения. Также влияние будет оказывать и тот факт, что экспериментальная установка устроена таким образом, что изучаемый объект находится в закрытом пространстве. 
 
 
 
 
 

 

    Выводы 

    В результате проделанной работы была освоена компьютеризованная установка, восстанавливающая при помощи теневого метода распределение градиента температуры. Программное обеспечение было дополнено кодом, необходимым для восстановления поля температуры. При помощи установки были получены и обработаны экспериментальные данные. Основная часть установки - теневой прибор имеет в рамках данной задачи явные преимущества перед другими методами визуализации потоков воздуха (метод визуализирующих частиц), так как обладает небольшой ресурсоемкостью.

    Была  проведена серия экспериментов  по изучению интенсификации теплообмена, произведена расшифровка теневых  картин и восстановление поля температур.

    Проведено исследование зависимости эффективности  охлаждения от расположения активного электрода по вертикали. Обработка экспериментальных данных показала, что расположение гребенки игл напротив верхней части нагревателя уменьшает эффективность охлаждения пластины по сравнению с центральным расположением игл. Таким образом,  разрушение теплового пристеночного факела в верхней части пластины при помощи электрического ветра не увеличивает интенсивность охлаждения нагревателя по сравнению со случаем, когда струя электрического ветра направлена в центр пластины.

    Изучение  зависимости интенсивности теплообмена нагревателя с окружающей средой от величины мощности, подводимой к пластине, показало, что при постоянной малой скорости электрического ветра решающую роль в охлаждении нагревателя играет естественная конвекция. То есть, при постоянной скорости электрического ветра, интенсивность теплообмена нагревателя с окружающей средой уменьшается с увеличением рассеиваемой мощности.

    Было  проведено исследование зависимости  интенсификации теплообмена нагревателя  с окружающей средой электрическим  ветром при различных значениях напряжений и силы тока для случаев расположения активного электрода напротив верхней и напротив центральной части пластины. Оно показало, что при одинаковой силе тока в цепи электрического ветра, интенсификация теплообмена всегда более эффективна при расположении активного электрода напротив центральной части пластины.