vdgtuВестник Дагестанского государственного технического университета. Технические наукиHerald of Dagestan State Technical University. Technical Sciences2073-61852542-095XDaghestan State Technical University10.21822/2073-6185-2022-49-1-14-24vdgtu-1035Research ArticleЭНЕРГЕТИКА И ЭЛЕКТРОТЕХНИКАENERGY AND ELECTRICAL ENGINEERINGМоделирование теплообмена и гидравлического сопротивления в коротких и длинных прямых круглых трубах с полукруглыми турбулизаторами в зависимости от геометрических и режимных параметровModeling of heat transfer and hydraulic resistance in short and long straight round pipes with semicircular turbulators depending on geometric and operating parametershttps://orcid.org/0000-0001-8421-0248ЛобановИ. Е.LobanovI. E.

Лобанов Игорь Евгеньевич, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник ПНИЛ-204 МА

125993, г. Москва, A-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д. 4

Igor E. Lobanov, Dr. Sci. (Eng.), Leading Researcher PNIL-204 MA

4 Volokolamskoe highway, A-80, GSP-3, Moscow 125993

lloobbaannooff@live.ruМосковский авиационный институт (национальный исследовательский университет)РоссияMoscow Aviation Institute (National Research University)Russian Federation2022190520224911424Copyright © Лобанов И.Е., 20222022Лобанов И.Е.Lobanov I.E.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestnik.dgtu.ru/jour/article/view/1035Цель

Цель. Целью исследования являлось определение зависимости распределений среднеинтегральных гидравлических сопротивлений и конвективного теплообмена при турбулентном течении в трубах с малыми (короткий канал) и большими (длинный канал) последовательностями полукруглых периодических выступов на основе численных решений систем уравнений Рейнольдса, замыкаюищхся при помощи моделей переносов сдвигового напряжения Ментера, и уравнений энергии на разномасштабной пересекающейся структурированной сетке.

Метод

Метод. Методика расчёта, основанная на решениях конечно-объёмными методами уравнения Рейнольдса, замыкаемого при помощи модели переносов сдвигового напряжения Ментера и уравнения энергий на разномасштабной пересекающейся структурированной сетке позволила с приемлемыми погрешностями произвести расчёт средних коэффициентов гидравлических сопротивлений и теплоотдачи в трубе с различными количествами кольцевых полукруглых выступов.

Результат

Результат. Проведены аналитические сpaвнения проделанных расчётных соотношений по относительным теплообмену и гидравлическому сопротивлению от количества выступов в каналах с различными значениями относительных высот турбулизаторов h/D, относительных шагов между турбулизаторами t/D, различными значениями критериев Рейнольдса Re, при остальных эквивалентных параметрах, которые показали, в каком случае качественные девиации вышеупомянутых характеристик осуществляются монотонно, а в каком случае — сопровождены экстремумами или перегибами, а также показали случаи качественных изменений расчётных характеристик. C переходoм от 30 выступов к 50 происходят, как правило, лишь количественные различия для относительных параметров гидросопротивлений и теплоотдачи, а их качественные изменения незначительны; с дальнейшим переходом от 50 выступов к 100 незначительными становятся и количественные их изменения.

Вывод

Вывод. Характер закономерностей распределений среднеинтегральных характеристик потоков и теплоотдачи для канала с выступами различного количества необходимо учитывать для короткого канала. Анализ полученной расчётной информации показал, что при переходе от короткого канала с турбулизаторами к длинному, чаще всего, имеет место увеличение относительного теплообмена и снижение относительных гидравлических сопротивлений, что обосновывает преимущество, с точки зрения интенсификации, теплоотдачи турбулизацией потока последних каналов по отношению к первым каналам.

Objective

Objective. The aim of the study was to determine the dependence of the distributions of average integral hydraulic resistances and convective heat transfer in turbulent flow in pipes with small (short channel) and large (long channel) sequences of semicircular periodic protrusions based on numerical solutions of the Reynolds equation systems, closed using Menter's shear stress transfer models, and energy equations on a multi-scale intersecting structured grid.

Method

Method. The calculation technique based on finite volume solutions of the Reynolds equation, closed using the Menter shear stress transfer model and the energy equation on a multi-scale intersecting structured grid, made it possible, with acceptable errors, to calculate the average coefficients of hydraulic resistance and heat transfer in a pipe with different quantities annular semicircular ledges.

Result

Result. Analytical comparisons were made of the calculated ratios for relative heat transfer and hydraulic resistance on the number of protrusions in channels with different values of relative heights of turbulators h/D, relative steps between turbulators t/D, different values of the Reynolds criteria Re, with other equivalent parameters, which showed that in in which case the qualitative deviations of the above characteristics are carried out monotonously, and in which case they are accompanied by extrema or inflections, and also showed cases of qualitative changes in the calculated characteristics. With the transition from 30 protrusions to 50, as a rule, only quantitative differences occur for the relative parameters of hydraulic resistance and heat transfer, and their qualitative changes are insignificant; with a further transition from 50 protrusions to 100, their quantitative changes also become insignificant.

Conclusion

Conclusion. The nature of the patterns of distributions of the mean integral characteristics of flows and heat transfer for a channel with protrusions of various numbers must be taken into account for a short channel. An analysis of the calculated information obtained showed that when moving from a short channel with turbulators to a long one, most often, there is an increase in relative heat transfer and a decrease in relative hydraulic resistance, which justifies the advantage, from the point of view of intensification, of heat transfer by turbulence of the flow of the last channels in relation to the first channels.

моделированиематематическийтеплообменгидросопротивлениеконвективныйтурбулизатортрубамодельМентерканалкороткийдлинныйmodelingmathematicalheat transferhydraulic resistanceconvectiveturbulatorpipemodelMentorchannelshortlongReferencesЭффективные поверхности теплообмена / Э.К.Калинин, Г.А.Дрейцер, И.З.Копп и др. - М.: Энергоатомиздат, 1998. - 408 с.Effective heat transfer surfaces / E.K. Kalinin, G.A. Dreitser, I.Z. Kopp et al. - M.: Energoatomizdat, 1998; 408. (In Russ)Лобанов И.Е. Моделирование теплообмена и сопротивления при турбулентном течении в каналах теплоносителей с переменными физическими свойствами в условиях интенсификации теплообмена // Труды Третьей Российской национальной конференции по теплообмену. В 8 томах. Т.6. Интенсификация теплообмена. Радиационный и сложный теплообмен. - М.: Изд-во МЭИ, 2002. - С. 144-147.Lobanov I.E. Modeling of heat transfer and resistance in turbulent flow in channels of heat carriers with variable physical properties under conditions of heat transfer intensification // Proceedings of the Third Russian National Conference on Heat Transfer. In 8 volumes. T.6. Intensification of heat transfer. Radiation and complex heat transfer. - M.: MPEI Publishing House, 2002; 144-147. (In Russ)Численные методы исследования течений вязкой жидкости / А.Д.Госмен, В.М. Пан, А.К.Ранчел и др. -М.: Мир, 1986. - 234 с.Numerical methods for studying viscous fluid flows / A.D. Gosmen, V.M. Pan, A.K. Ranchel and others. M .: Mir, 1986; 234. (In Russ)Управление обтеканием тел с вихревыми ячейками в приложении к летательным аппаратам интегральной компоновки (численное и физическое моделирование) / Под ред. А.В.Ермишина и С.А.Исаева. - М.–СПб, 2001. - 360 c.Flow control around bodies with vortex cells as applied to integrated aircraft (numerical and physical modeling), Ed. A.V. Ermishina and S.A. Isaev. - M.-SPb, 2001; 360. (In Russ)Menter F.R. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications // AIAA J. - 1994. - V. 32. - № 8. - P. 1598.Menter F.R. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications. AIAA J. 1994; 32(8): 1598.Юдаев Б.Н. Техническая термодинамика. Теплопередача. - М.: Высшая школа, 1988. - 479 с.Yudaev B.N. Technical thermodynamics. Heat transfer. M.: [Vysshaya shkola] Higher school, 1988; 479. (In Russ)Численное моделирование вихревой интенсификации теплообмена в пакетах труб / Ю.А.Быстров, С.А.Исаев, H.A.Кудрявцев и др. - СПб: Судостроение, 2005. - 398 с.Bystrov Yu.A., Isaev S.A., Kudryavtsev N.A. et al. - Numerical modeling of vortex heat transfer intensification in pipe packages. [Sudostroyeniye] Shipbuilding, 2005; 398. (In Russ)Дрейцер Г.А., Исаев С.А., Лобанов И.Е. Расчёт конвективного теплообмена в трубе с периодическими выступами // Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках: Труды XIV Школы-семинара молодых учёных и специалистов под руководством академика РАН А.И.Леонтьева. - М.: МЭИ, 2003. - T. 1. - С. 57-60.Dreitser G.A., Isaev S.A., Lobanov I.E. Calculation of convective heat transfer in a pipe with periodic protrusions // Problems of gas dynamics and heat and mass transfer in power plants: Proceedings of the XIV School-seminar for young scientists and specialists under the guidance of Academician A.I. Leontiev. M.: MPEI, 2003; 1: 57-60. (In Russ)Дрейцер Г.А., Исаев С.А., Лобанов И.Е. Расчёт конвективного теплообмена в трубе с периодическими выступами // Вестник МАИ. - 2004. - Т. 11. - № 2. - С. 28-35.Dreitser G.A., Isaev S.A., Lobanov I.E. Calculation of convective heat transfer in a pipe with periodic protrusions. [Vestnik MAI]. Vestnik MAI. 2004; 11(2): 28-35. (In Russ)Дрейцер Г.А., Исаев С.А., Лобанов И.Е. Расчёт конвективного теплообмена в трубе с периодически расположенными поверхностными турбулизаторами потока // Теплофизика высоких температур. - 2005. - Т. 43. - № 2. - С. 223-230.Dreitser G.A., Isaev S.A., Lobanov I.E. Calculation of convective heat transfer in a pipe with periodically located surface flow turbulators [Teplofizika vysokikh temperatur ] High Temperature Thermophysics. 2005; 43( 2): 223-230. (In Russ)Лобанов И.Е. Математическое моделирование интенсифицированного теплообмена при турбулентном течении в каналах: Диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук. - М., 2005. - 632 с.Lobanov I.E. Mathematical modeling of enhanced heat transfer in turbulent flow in channels: Dissertation for the degree of Doctor of Technical Sciences. M., 2005; 632. (In Russ)Калинин Э.К., Лобанов И.Е. Проблемы исследования теплообменных процессов при течениях однофазных сред на этапе успешного развития численного моделирования // Тезисы докладов и сообщений VI Минского международного форума по тепломассообмену. - Минск, 2008. - Т. 1. - С. 101-103.Kalinin E.K., Lobanov I.E. Problems of research of heat exchange processes in the flows of single-phase media at the stage of successful development of numerical modeling. Abstracts of reports and reports of the VI Minsk International Forum on Heat and Mass Transfer. Minsk, 2008; 1: 101-103.Лобанов И.Е., Калинин Э.К. Теоретическое исследование, сопоставление с экспериментом линий тока и составляющих кинетической энергии турбулентных пульсаций в вихревых структурах в трубах с турбулизаторами // Отраслевые аспекты технических наук. - 2011. - № 12. - С. 4-15.Lobanov I.E., Kalinin E.K. Theoretical study, comparison with experiment of streamlines and components of the kinetic energy of turbulent pulsations in vortex structures in pipes with turbulators [Otraslevyye aspekty tekhnicheskikh nauk] Branch aspects of technical sciences. 2011; 12: 4-15. (In Russ)Лобанов И.Е. Структура вихревых зон между периодическими поверхностно-расположенными турбулизаторами потока прямоугольного поперечного сечения // Электронный научный журнал «Исследования технических наук». - 2012. - Май. - Выпуск 4. - Том 2. - С. 18-24.Lobanov I.E. The structure of vortex zones between periodic surface-located flow turbulators of rectangular cross section. [Issledovanie tekhnicheskikh nauk] Electronic scientific journal "Research of technical sciences".2012; 2 ( 4): 18-24. (In Russ)Лобанов И.Е. Моделирование структуры вихревых зон между периодическими поверхностно расположенными турбулизаторами потока прямоугольного поперечного сечения // Математическое моделирование. - 2012. - Т. 24. - № 7. - С. 45—58.Lobanov I.E. Modeling the structure of vortex zones between periodic superficial flow turbulators of rectangular cross section [Matematicheskoye modelirovaniye ] Mathematical Modeling. 2012; 24(7): 45-58. (In Russ)Лобанов И.Е. Теоретическое исследование кинетической энергии турбулентных пульсаций и её составляющих в трубах с турбулизаторами // Московское научное обозрение. - 2013. - № 1. - С. 23-30.Lobanov I.E. Theoretical study of the kinetic energy of turbulent pulsations and its components in pipes with turbulators [Moskovskoye nauchnoye obozreniye ] Moscow Scientific Review. 2013; 1: 23-30. (In Russ)Лобанов И.Е., Штейн Л.М. Перспективные теплообменные аппараты с интенсифицированным теплообменом для металлургического производства. (Общая теория интенсифицированного теплообмена для теплообменных аппаратов, применяемых в современном металлургическом производстве.) В 4-х томах. Том III. Математическое моделирование интенсифицированного теплообмена при турбулентном течении в каналах с применением многослойных, супермногослойных и компаундных моделей турбулентного пограничного слоя. - М.: МГАКХиС, 2010. - 288 с.Lobanov I.E., Stein L.M. Promising heat exchangers with intensified heat transfer for metallurgical production. (General theory of intensified heat transfer for heat exchangers used in modern metallurgical production.) In 4 volumes. Volume III. Mathematical modeling of enhanced heat transfer in turbulent flow in channels using multilayer, supermultilayer and compound models of a turbulent boundary layer. M.: MGAKHiS, 2010; 288. (In Russ)Лобанов И.Е., Парамонов Н.В. Математическое моделирование интенсифицированного теплообмена при течении в каналах на основе сложных моделей турбулентного пограничного слоя. - М.: Издательство МАИ, 2011. - 160 с.Lobanov I.E., Paramonov N.V. Mathematical modeling of enhanced heat transfer during flow in channels based on complex models of a turbulent boundary layer. [Izdatel'stvo MAI ] M.: MAI Publishing House, 2011; 160. (In Russ)Лобанов И.Е. Теория интенсифицированного теплообмена при турбулентном течении в каналах на базе четырёхслойной схемы турбулентного пограничного слоя // Современные проблемы науки и образования. - 2010. - № 3. - С. 81-89.Lobanov I.E. Theory of intensified heat transfer during turbulent flow in channels based on a four-layer scheme of a turbulent boundary layer. [Sovremennyye problemy nauki i obrazovaniya] Modern problems of science and education. 2010; 3: 81-89. (In Russ)Лобанов И.Е., Штейн Л.М. Математическое моделирование интенсифицированного теплообмена при турбулентном течении в трубах с турбулизаторами для теплообменников современного металлургического производства с применением четырёхслойной модели турбулентного пограничного слоя // Техника и технология. - 2010. - № 3. - С. 67-77.Lobanov I.E., Stein L.M. Mathematical modeling of enhanced heat transfer during turbulent flow in pipes with turbulators for heat exchangers of modern metallurgical production using a four-layer model of a turbulent boundary layer [Tekhnika i tekhnologiya] Technique and technology. 2010; 3: 67-77. (In Russ)Лобанов И.Е. Теория интенсифицированного теплообмена при турбулентном течении в каналах на базе четырёхслойной схемы турбулентного пограничного слоя // Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках: Четвёртая международная конференция: тезисы докладов - М.: Издательский дом МЭИ, 2011. - С. 149-151.Lobanov I.E. Theory of intensified heat transfer in turbulent flow in channels based on a four-layer scheme of a turbulent boundary layer. Heat and mass transfer and hydrodynamics in swirling flows: Fourth international conference: abstracts. [Izdatel'stvo MAI] MPEI Publishing House, 2011; 149-151. (In Russ)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.