Теплоотдача и сопротивление каналов с олуненными поверхностями

М.А. Готовский, С.Л. Деменок,  
В.В. Медведев, С.М. Сивуха
ТЕПЛООТДАЧА 
И СОПРОТИВЛЕНИЕ 
КАНАЛОВ 
С ОЛУНЕННЫМИ 
ПОВЕРХНОСТЯМИ

СТРАТА
Санкт-Петербург
2016

 
 
 
 
 
 
М.А. ГОТОВСКИЙ, С.Л. ДЕМЕНОК, 
В.В. МЕДВЕДЕВ, С.М. СИВУХА 
 
 
 
 
 

 
 
ТЕПЛООТДАЧА И СОПРОТИВЛЕНИЕ 
КАНАЛОВ С ОЛУНЕННЫМИ 
ПОВЕРХНОСТЯМИ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

СТРАТА 

Санкт-Петербург 
2016 

УДК 532.546:536.24 
ББК 30.124:31.31 
Т34 
Рецензенты: 
доктор технический наук, профессор Судаков А.В. 
доктор технический наук, профессор Суслов В.А.  

Готовский М.А., Деменок С.Л., Медведев В.В., Сивуха С.М. 
Т34  Теплоотдача и сопротивление каналов с олуненными по- 
      верхностями: монография. – СПб.: Страта, 2016. – 210 с. 

ISBN 978-5-906150-59-2  

В монографии рассмотрены вопросы, связанные с изучением 
теплоотдачи и сопротивления в каналах теплообменных и технологических устройств и аппаратов. Приведены сведения о влиянии высоких чисел Прандтля, наличия отложений, двухфазности потоков. 

Предназначена для студентов, обучающихся по направлениям 
"Теплоэнергетика 
и 
теплотехника", 
"Ядерная 
энергетика 
и 
технологии", "Физика",  "Физико-технические науки и технологии", 
а также для специалистов, занимающихся решением теоретических 
и прикладных задач по гидродинамике, тепло- и массообмену.

Ил. 132. Табл. 9. Библиогр.: 96 назв. 

УДК 532.546:536.24 
ББК 30.124:31.31 

       ©   М.А.Готовский, 2016
       ©   С.Л.Деменок, 2016 
       ©   В.В.Медведев, 2016 
ISBN 978-5-906150-59-2
      
©   С.М.Сивуха, 2016 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
ПРЕДИСЛОВИЕ ............................................................................................6 
ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................... 12 
1. ИСТОРИЯ ПОЯВЛЕНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ ARPD ........................... 15 
1.1. Трубы с поперечной кольцевой накаткой ...................................... 16 
1.2. Интенсифицирующие поверхности, формованные сферическими 
лунками .................................................................................................... 19 
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛООТДАЧИ И 
СОПРОТИВЛЕНИЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ КАНАЛОВ С 
ПОВЕРХНОСТЯМИ ARPD ПРИ ТУРБУЛЕНТНОМ РЕЖИМЕ ............ 25 
2.1. Каналы на основе труб с кольцевой накаткой ............................... 25 
2.2. Цилиндрические каналы с олуненными поверхностями .............. 26 
2.2.1. Изготовление олуненных труб ................................................ 27 
2.2.2. Эксперименты ЦКТИ по теплогидравлике кольцевых 
каналов с олуненной внутренней трубой ......................................... 31 
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛООТДАЧИ И 
СОПРОТИВЛЕНИЯ ОЛУНЕННЫХ ПЛОСКИХ КАНАЛОВ (В ТОМ 
ЧИСЛЕ С НЕСФЕРИЧЕСКИМИ ЛУНКАМИ) ПРИ ТУРБУЛЕНТНОМ 
РЕЖИМЕ ТЕЧЕНИЯ ................................................................................... 40 
3.1. Исследование моделей олуненных каналов для охлаждения 
мощных электрогенераторов .................................................................. 40 
3.1.1. Описание экспериментального стенда .................................... 43 
3.1.2. Описание опытного участка .................................................... 44 
3.1.3. Экспериментальная процедура ................................................ 48 
3.2. Исследование конфузорных и дуффузорных олуненных                    
каналов ..................................................................................................... 55 
4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛООТДАЧИ И 
СОПРОТИВЛЕНИЯ ОЛУНЕННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЛЯ 
ОХЛАЖДЕНИЯ ЛОПАТОК ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ГАЗОВЫХ 
ТУРБИН ........................................................................................................ 65 
4.1. Исследование моделей олуненных каналов для охлаждения 
лопаток высокотемпературных газовых турбин ................................... 65 
4.2. Влияние геометрических показателей рельефа из сферических 
лунок на уровень интенсификации теплообмена ................................. 71 
4.2.1 Влияние плотности размещения лунок .................................... 72 
4.2.2 Влияние относительной глубины лунок .................................. 73 
4.2.3 Влияние относительной высоты канала над лунками ............ 74 
4.2.4 Влияние схемы размещения (шахматное или коридорное) 
лунок в регулярных луночных рельефах .......................................... 75 
4.3. Взаимное влияние противоположных трактовых поверхностей 
щелевого канала....................................................................................... 76 

4.3.1 Щелевые каналы с размещением лунок только на одной из 
поверхностей .......................................................................................76 
4.3.2 Щелевые каналы с олунением обеих противоположных 
поверхностей .......................................................................................77 
4.4. Зависимости для теплообмена на поверхности регулярных 
рельефов из сферических углублений в плоском щелевом канале .....80 
4.5. Исследование роста сопротивления на поверхности с регулярным 
рельефом из сферических углублений в плоском щелевом канале ....81 
4.6. Влияние режима течения на зависимости для                                    
гидравлического сопротивления ............................................................84 
5. НЕКОТОРЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО 
ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРЫ ПОТОКА В ЛУНКАХ .......................89 
6. ИССЛЕДОВАНИЯ ОЛУНЕННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ МЕТОДАМИ 
CFD ..............................................................................................................103 
6.1. Краткое введение ............................................................................103 
6.2. Постановка задачи ..........................................................................108 
6.3. Вычислительные сетки...................................................................110 
6.4. Результаты вычислительных экспериментов ...............................111 
7. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ИНТЕНСИФИКАЦИИ 
ТЕПЛООБМЕНА ДЛЯ СРЕД С ВЫСОКИМИ ЧИСЛАМИ ПРАНДТЛЯ 
В ОБЛАСТИ ПЕРЕХОДА ОТ ЛАМИНАРНОГО К ТУРБУЛЕНТНОМУ 
РЕЖИМУ ТЕЧЕНИЯ .................................................................................123 
8. ПРЕИМУЩЕСТВА КАНАЛОВ С ИСКУССТВЕННОЙ 
ШЕРОХОВАТОСТЬЮ ПО СРАВНЕНИЮ С ГЛАДКИМИ КАНАЛАМИ 
И КАНАЛАМИ С КРУПНЫМИ ИНТЕНСИФИКАТОРАМИ ПРИ 
НАЛИЧИИ ОТЛОЖЕНИЙ РАЗЛИЧНОГО ВИДА НА 
ТЕПЛООБМЕННЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ ................................................137 
9. ВЛИЯНИЕ ОЛУНЕНИЯ НА ТЕПЛОГИДРАВЛИКУ ПРИ 
ПОПЕРЕЧНОМ ОБТЕКАНИИ ПУЧКОВ ТРУБ .....................................154 
10. НЕКОТОРЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ 
ИСКУССТВЕННОЙ ШЕРОХОВАТОСТИ НА ТЕПЛООТДАЧУ И 
ТЕМПЕРАТУРНЫЙ РЕЖИМ ДЛЯ ДВУХФАЗНЫХ ПОТОКОВ ........162 
10.1. Интенсификация теплоотдачи при поверхностном кипении воды 
в трубах ...................................................................................................163 
10.2. Интенсификация закризисного теплообмена .............................165 
10.2.1 Обращенный кольцевой режим ............................................166 
10.2.2 Интенсификация теплоотдачи в закризисной зоне с 
помощью олунения ...........................................................................167 
10.3. Интенсификация теплообмена при конденсации ......................178 
11. НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ ПРИМЕНЕНИЯ ОЛУНЕНИЯ НА 
ПОВЕРХНОСТЯХ ТЕПЛООБМЕНА ......................................................184 

11.1. Некоторые опытные данные по исследованию теплогидравлики 
каналов с несферическими лунками .................................................... 184 
11.2. Использование олунения непрерывных ребер для повышения 
эффективности оребрения .................................................................... 188 
11.3. Некоторые сведения о применении луночных поверхностей в 
промышленности ................................................................................... 193 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ .......................................................................................... 198 
Список литературы ................................................................................ 200 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

К современному теплоэнергетическому оборудованию предъяв
ляется большое количество технико-экономических и эксплуатационных требований, среди которых особое место занимает компактность. Известно, что технико-экономические параметры теплосиловых установок в значительной мере определяются параметрами входящих в их состав теплообменных аппаратов. В парогазовых установках масса теплообменных аппаратов составляет более 50% массы 
установки. Масса и объем регенераторов в мощных газотурбинных 
установках с высокой степенью регенерации теплоты приближаются 
к аналогичным параметрам всей установки в целом. Весьма значительны габариты и масса воздушно-конденсационных установок, подогревателей высокого и низкого давления, атмосферных деаэраторов для паротурбинных установок тепловых и атомных электростанций. 

Компактность теплообменного оборудования обусловлена таким 

фактором как тепловая эффективность устройства. Повышая тепловую эффективность, мы можем снизить металлоемкость и, как следствие, стоимость теплообменного оборудования, при сохранении 
тепловой мощности последнего или, практически сохраняя массогабаритные характеристики, увеличить его тепловую мощность. В 
различных технических приложениях широко используются обе цели повышения тепловой эффективности. 

Повышение эффективности достигается использованием различ
ных методов интенсификации теплоотдачи. Как известно наибольшее термическое сопротивление переносу в турбулентном потоке 
оказывает вязкий подслой, прилегающий к стенкам теплообменного 
канала. Для интенсификации теплоотдачи необходимо разрушение 
или турбулизирующее воздействие на этот подслой. 

Интенсификация теплоотдачи неразрывно связана с повышением 

потерь давления. Повышение теплоотдачи мы «покупаем», как правило, за счет повышения гидравлического сопротивления теплообменных каналов, поэтому необходимо оценивать теплогидравлическую эффективность. Значительное повышение гидравлического сопротивления приводит к росту мощности на прокачку теплоносителя 
и увеличению габаритов насосных или компрессорных агрегатов. 

Всем вышесказанным обусловлена актуальность работ по интен
сификации теплоотдачи в представленной читателю монографии, 
выполненной в одном из самых известных научных центров России – 
ОАО «Научно-производственное объединение по исследованию и 
проектированию 
энергетического 
оборудования 

им. И.И. Ползунова», ранее известного всем как ЦКТИ (Центральный котло-турбинный институт). Основное направление деятельности НПО ЦКТИ – исследования, проводимые с целью разработки нового и модернизации действующего оборудования ТЭС, АЭС, ГЭС, 
объектов промышленной и коммунальной энергетики. Оно неразрывно связано с повышением эффективности и компактности теплообменного оборудования за счет использования интенсификации 
теплообмена. 

В работе, которая представлена вашему вниманию, содержатся 

результаты как предшествующей многолетней работы авторов, так и 
новые материалы по поверхностной интенсификации теплообмена в 
каналах теплообменного оборудования за счет использования поверхностных вихрегенераторов. 

Объектом рассмотрения выбран интенсификаторы теплообмена в 

виде систем лунок различной формы. Этот выбор исторически связан с идеей повышения коэффициента теплоотдачи при сохранении и 
даже (!) снижении гидравлического сопротивления в каналах теплоэнергетического оборудования. Снижения сопротивления при использовании лунок удалось достичь и стабильно наблюдать только в 
определенных условиях – при обтекании тел и в криволинейных каналах – за счет уменьшения зон отрыва и, тем самым, уменьшения 
аэродинамического следа тела обтекания. Это парадокс ЭйфеляПрандтля, известный как кризис сопротивления. Гипотеза о том, что 
он может существовать и в плоскопараллельном канале и трубах при 
использовании поверхностных генераторов вихрей – сферических 
лунок, по результатам многочисленных исследований была развенчана. Результаты многочисленных исследований показали, что в каналах использование данного интенсификатора приводит практически всегда к росту общих потерь давления. 

Первые работы по использованию поверхностных интенсифика
торов в трубах за счет накатки относятся к 70-м годам XIX века. Однако первое использование было связано не с повышением теплоот

дачи, а с повышением надежности первых энергетических и транспортных котлоагрегатов. Жаровые трубы с накаткой выдерживали 
большие давления пара извне по сравнению с гладкотрубными аналогами. Но со временем было обнаружено, что использование периодической кольцевой накатки приводит к росту и теплообмена. В 
начале XX века дискретно-шероховатые трубы уже предлагались для 
теплообменных аппаратов. Первое систематическое описание использования таких труб было дано в книге Р. Ройдса в 1921 году. 

С конца 1940-х годов в нашей стране резко стало возрастать ко
личество работ по интенсификации теплоотдачи. Исследованиями 
поверхностных интенсификаторов различной формы в нашей стране 
занимались П.Н. Кубанский, В.К. Мигай, В.М. Бузник, Э.К. Калинин, 
Г.А. Дрейцер, Е.В. Дубровский и многие другие. За рубежом исследования проводились К.Х. Прессером, К. Вигхардом, В. Тиллманом, 
Р.С. Снидекером и К.П. Доналдсоном, Р.Л. Уеббом и другими. 

Интерес к использованию трехмерных вихрегенераторов с новой 

силой возник в конце 1980-х – начале 1990-х. Здесь сформировалось 
несколько научных школ – группа М.И. Рабиновича, научные группы 
под 
руководством 
Г.И. Кикнадзе, 
А.И. Леонтьева, 

В.Н. Афанасьева, Я.П. Чудновского (МГТУ), В.И. Терехова (ИТФ 
СО РАН) и М.А. Готовского (НПО ЦКТИ). В последствии интерес к 
тематике возрос, возросло и количество работающих по проблематике научных групп и ученых – А.Б. Езерский, Э.Д. Сергиевский, 
Г.П. Нагога, А.П. Козлов, С.А. Исаев, А.В. Щукин, Е.В. Дилевская, 
А.В. Туркин, 
В.П. Мусиенко, 
А.В. Сударев, 
Ю.Ф. Гортышов, 

П.П. Почуев, 
И.Л. Шрадер, 
К.Л. Мунябин, 
Ю.М. Ануров, 

И.А. Попов, Ю.И. Шанин, С.З. Сапожников и многие другие, а также 
иностранные 
ученые 
А.А. Халатов, 
Ф.М. Лиграни, 
Р. Банкер, 

С.В. Мун, В.А. Воскобойник и другие. 

В книге наряду с описанием истории вопроса исследования обте
кания и теплообмена сферической выемки представлены результаты 
как первых исследований авторов, начиная с известных работ НПО 
ЦКТИ 
начала 
1990-х 
годов, 
выполненных 
М.Я. Беленьким, 

М.А. Готовским и Б.С. Фокиным, так и результаты современных исследований научной группы М.А. Готовского. 

В многочисленных работах проведены исследования локальных 

и осреднѐнных коэффициентов теплоотдачи и гидравлического со

противления в каналах со сферическими выемками. Выявлены уровни интенсификации теплоотдачи и влияния на них режимных параметров, относительной глубины выемок, плотности расположения, 
скругленности кромок лунок, стесненности канала и др. Показано, 
что использование рельефов сферических выемок позволяет повысить теплоотдачу при турбулентном режиме течения от 1,1 до 2,5 раз 
по сравнению с гладкостенными каналами при прочих равных условиях и сопоставимом приросте гидравлического сопротивления. 
Именно эти факты вызвали интерес к данному интенсификатору 
теплообмена у многих исследователей. Но сегодня еще остается актуальным решение ряда вопросов и один из них – это наличие достоверных, апробированных методик и уравнений подобия, для прогнозирования гидравлического сопротивления и теплоотдачи в каналах 
с лунками при широком варьировании различных конструктивных 
параметров. 

Обоснование механизмов интенсификации теплообмена связано 

с исследованиями структуры потока в выемках и в следе за ней, а 
также распределений локальных коэффициентов теплоотдачи и давления. Данные исследования проводились с использованием методов 
визуализации 
потока 
М.И. Рабиновичем, 
В.Б. Хабенским, 

Г.И. Кикнадзе, 
А.А. Халатовым, 
И.А. Поповым, 
Ф.М. Лиграни, 

Дж. Б. Жао и другими, термоанемометрических измерений структуры потока А.П. Козловым и др., теплометрических измерений 
В.И. Тереховым, 
С.З. Сапожниковым, 
тепловизионной 
съемки 

Э.Д. Сергиевским и др., нанесения термокристаллических покрытий 
С.Д. Хвангом и Х.Х. Чо. Многие из них представлены в монографии. 

Большой интерес представляют вопросы интенсификации тепло
обмена при фазовых переходах, т.е. конденсации и кипении. Пионером работ в данном направлении был Г.И. Кикнадзе. В монографии 
особо выделены и подробно рассмотрены результаты исследований 
интенсификации теплоотдачи пароводяной смеси с помощью сферических 
лунок 
в 
закризисной 
области 
научной 
группы 

И.Л. Мостинского. Сегодня работы в данном направлении продолжаются в МЭИ под руководством Ю.А. Кузма-Кичты. 

Необходимо заострить внимание на том, что в монографии уде
лено особое внимание вопросам технологии нанесения выемок и 
влияния эксплуатационных условий на эффективность работы по

верхностных интенсификаторов в виде рельефов из сферических выемок. Существующие работы в этой области показывают, что нанесение холодной штамповкой или накаткой трехмерных выемок на 
трубы и пластины повышают их прочностные характеристики на 
сжатие, растяжение и изгиб. Отмечу, что нанесение кольцевых выступов резко снижает эти параметры ввиду того, что они являются 
концентраторами напряжений. Сравнительные опыты по загрязняемости различных поверхностей теплообмена показывают, что наличие генераторов вихрей снижает их загрязняемость вследствие нестабильности (нестационарности) течений в отрывных зонах в лунках и в следе за ними. Это повышает интерес к использованию 
именно трехмерных вихрегенераторов по сравнению с более широко 
известными кольцевыми и спиральными накатками на трубы. Неоценим опыт создания и исследования характеристик теплообменных труб с лунками, полученный М.А. Готовским совместно с 
И.Л. Шрадер, на ОАО «Подольский машиностроительный завод». 

Исследование влияния градиента давления на течение и тепло
обмен в каналах со сферическими выемками проводилось в малом 
количестве работ, несмотря на практическую значимость в энергетическом оборудовании. Так изучение воздействия криволинейности 
канала и места расположения выемок в нем проведено в работах 
А.В. Щукина, Р.С. Агачева и др. В представленной монографии даны 
результаты исследований по влиянию конфузорности и диффузорности канала на гидравлическое сопротивление и теплоотдачу. Данные 
получены М.А. Готовским и Б.С. Фокиным при совместной работе с 
научной группой корпорации General Electric во главе с Р. Банкером. 

Сегодня основное направление исследований – поиск рацио
нальных форм лунок. Работы по поиску формы, обеспечивающей 
сопоставимый, а желательно опережающий прирост теплоотдачи по 
сравнению с гидросопротивлением, вызывают огромный интерес в 
первую очередь у производителей и потребителей теплообменного 
оборудования и ставят данный вопрос перед исследователями. В последние годы здесь огромные успехи достигнуты за счет использования современных вычислительных технологий. Использование 
численных методов исследования резко повысило результативность 
работ, так как снизило затраты, связанные с постановкой теплофизических натурных экспериментов. Необходимо выделить работы 

С.А. Исаева, А.И. Леонтьева и др. по исследованию симметричных и 
асимметричных сферических выемок, овальных, цилиндрических, 
овальных удлиненных и пр. Впервые показано, что удлинение выемок приводит к усилению рециркуляционных течений в лунке и повышению средней теплоотдачи по поверхности с рельефом из выемок. Использование численного эксперимента позволило детально 
оценить влияние различных режимных, теплофизических и конструктивных параметров и выявить геометрии, рациональные с точки зрения теплогидравлической эффективности. Верификация пол ученных результатов производится в 
лабораториях В.И.  Терехова, 

С.В. Гувернюка, И.А. Попова, С.З. Сапожникова, М.А. Готовского, 
В.А. Воскобойника и других. 

В заключении книги показаны отдельные примеры практическо
го применения интенсификаторов в виде лунок в промышленных 
теплообменных аппаратах. 

Несмотря на достаточно большой срок исследований интенсифи
кации теплообмена с помощью лунок различной формы, интерес к 
данной тематике не угасает. И основное место занимают вопросы 
промышленного использования интенсификаторов теплообмена и 
поиск рациональных форм. 

Книга будет интересна всем, кто занимается вопросами экспери
ментального исследования интенсификации теплоотдачи, оценкой 
возможности повышения эффективности современного теплообменного оборудования, технологией создания высокоэффективных компактных теплообменных аппаратов. 

 
 
Доктор технических наук, заведующий лабораторией моделиро
вания физико-технических процессов, профессор кафедры теплотехники и энергетического машиностроения Казанского национального 
исследовательского технического университета им.А.Н.Туполева – 
КАИ, лауреат Премии Правительства Российской Федерации в области науки и техники                                                              И.А.Попов 

 
 
 
 

ВЕДЕНИЕ

Предварительно монографию намечалось посвятить теплоот
даче и гидродинамике элементов теплообменного оборудования, 
интенсифицированных путем нанесения на поверхности теплообмена сферических лунок. Однако, для большей информативности изложения, в ней будут рассматриваться и другие типы 
поверхностей, удовлетворяющих определению, предложенному 
одним из авторов – искусственная шероховатость, созданная путем деформации стенки давлением (в английском варианте 
artificial roughness created by wall pressure deformation – ARPD). 
В эту группу входят, кроме олуненных, также поверхности с 
кольцевой и спиральной накаткой, которые достаточно широко 
применяются на практике. Принципиальное отличие этих поверхностей от известных ранее, на которых осуществлялась пристенная интенсификация теплообмена, состояло в том, что интенсифицирующие элементы изготовлялись путем деформирования самой теплообменной поверхности. Такой метод изготовления приводит к образованию на внутренней поверхности канала, 
например, трубы, ответного рельефа, который также является 
интенсифицирующим. Например, при использовании кольцевой 
накатки на внутренней поверхности трубы появляется система 
кольцевых выступов. При использовании спиральной накатки на 
внутренней поверхности тубы появляется система, напоминающая спиральные вставки. Разница, однако, состоит в том, что в 
отличие от системы диафрагм или проволочной навивки эти рельефы обеспечивают плавный переход к несущей поверхности. 
Наконец, при использовании системы сферических лунок внутренний рельеф представляет собой регулярную систему сферических выступов на внутренней поверхности трубы, также имеющую плавный переход к несущей поверхности.

Такой подход позволил использовать опытные данные для всех 

перечисленных поверхностей при сравнительном анализе эффективности ARPD – поверхностей и гладких поверхностей в условиях образования осаждений, и при кипении, и при конденсации. Это обеспечивает двустороннюю интенсификацию теплообмена, делает такие 
трубы еще более ценными для теплообменников.