vdgtuВестник Дагестанского государственного технического университета. Технические наукиHerald of Dagestan State Technical University. Technical Sciences2073-61852542-095XDaghestan State Technical University10.21822/2073-6185-2025-52-1-13-21vdgtu-1694Research ArticleЭНЕРГЕТИКА И ЭЛЕКТРОТЕХНИКАENERGY AND ELECTRICAL ENGINEERINGГазодинамическая температурная стратификация в трубе Леонтьева: аналитическое исследование и численное моделированиеGas-Dynamic Temperature Stratification in the Leontiev Tube: Analytical Study and Numerical ModelingРудникР. С.RudnikR. S.

Рудник Роман Сергеевич, аспирант, кафедра «Тепловая и топливная энергетика»,

432027, г. Ульяновск, ул. Северный Венец, д. 32

Roman S. Rudnik, PhD student, Department of Thermal and Fuel Energy,

32 Northern Venets St., Ulyanovsk 432027

kuvaldatmb99@gmail.comМатвеевА. Ф.MatveevA. F.

Матвеев Александр Федорович, аспирант, кафедра «Тепловая и топливная энергетика»,

432027, г. Ульяновск, ул. Северный Венец, д. 32

Alexander F. Matveev, PhD student, Department of Thermal and Fuel Energy,

32 Northern Venets St., Ulyanovsk 432027

mafiy78@mail.ruКовальноговВ. Н.KovalnogovV. N.

Ковальногов Владислав Николаевич, доктор технических наук, профессор, кафедра «Тепловая и топливная энергетика», 

432027, г. Ульяновск, ул. Северный Венец, д. 32

Vladislav N. Kovalnogov, Dr. Sci. (Eng.), Prof., Department of Thermal and Fuel Energy,

32 Northern Venets St., Ulyanovsk 432027

kvn@ulstu.ruУльяновский государственный технический университетРоссияUlyanovsk State Technical UniversityRussian Federation2025180420255211321Copyright © Рудник Р.С., Матвеев А.Ф., Ковальногов В.Н., 20252025Рудник Р.С., Матвеев А.Ф., Ковальногов В.Н.Rudnik R.S., Matveev A.F., Kovalnogov V.N.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/1694Цель

Цель. Статья посвящена исследованию процессов теплопередачи в трубе Леонтьева, основанной на принципе газодинамической температурной стратификации. Цель работы заключается в описании механизма взаимодействия дозвуковых и сверхзвуковых потоков и выявлении ключевых параметров, влияющих на эффективность стратификации.

Метод

Метод. Исследование выполнено с использованием аналитического подхода и численного моделирования в среде ANSYS Fluent. В рамках численного анализа были визуализированы температурные и скоростные поля, а также проанализирована плотность теплового потока. Применена модель турбулентности 𝑘 −𝜔 SST, позволяющая учитывать сложные особенности течения газа в трубе.

Результат

Результат. Получены основные закономерности теплопередачи, включая влияние разности температур и давления между дозвуковыми и сверхзвуковыми потоками, а также роль турбулентной энергии в усилении теплообмена. Установлено, что на выходе из сверхзвукового канала газ нагревается по сравнению с входными условиями, а из дозвукового канала выходит охлаждённый поток.

Вывод

Вывод. Полученные результаты могут быть использованы для повышения эффективности теплообмена в промышленных системах и проектирования устройств для рекуперации тепла.

Objective

Objective. The article is dedicated to the study of heat transfer processes in a Leontiev tube based on the principle of gas-dynamic temperature stratification. The objective of this work is to describe the mechanism of interaction between subsonic and supersonic flows and identify key parameters influencing stratification efficiency.

Method

Method. The study was conducted using an analytical approach and numerical modeling in the ANSYS Fluent environment. Temperature and velocity fields were visualized, and heat flow density was analyzed. The k−ω SST turbulence model was applied, enabling the consideration of complex gas flow characteristics in the tube.

Results

Results. The main heat transfer patterns were identified, including the effects of temperature and pressure differences between subsonic and supersonic flows, as well as the role of turbulent energy in enhancing heat exchange. It was established that the gas exiting the supersonic channel is heated compared to the inlet conditions, while the gas exiting the subsonic channel is cooled.

Conclusion

Conclusion. The results can be used to improve the efficiency of heat exchange in industrial systems and to design heat recovery devices.

газодинамическая температурная стратификацияохлаждение газатруба Леонтьеватеплопередачачисленное моделированиетепловой потокgas-dynamic temperature stratificationgas coolingLeontiev tubeheat transfernumerical modelingheat fluxReferencesЛеонтьев А.И. Газодинамический метод энергоразделения газовых потоков // ТВТ. 1997. Т. 35. № 1. С. 157Leont’ev A.I. Gas-dynamic method of energy separation of gas flows. High Temperature. 1997;35(1):157 (In Russ).Цветова Е.В. Моделирование и исследование процесса газодинамической температурной стратификации для повышения эффективности редуцирования природного газа/Е.В. Цветова, В.Н. Ковальногов, Ю.А. Хахалев//Информатика, вычислительная техника и управление – 2021. – № 2. – С. 54-58.Tsvetova E.V., Modeling and study of the process of gas-dynamic temperature stratification for improving the efficiency of natural gas reduction. E.V. Tsvetova, V.N. Kovalenogov, Yu.A. Khakhalev. Informatics, Computer Engineering, and Control. 2021;2:54–58. (In Russ).Цынаева А.Л., Цынаева Е.А., Школин Е.В. Исследование методов интенсификации теплообмена в трубе температурной стратификации // Изв. вузов. Авиационная техника. 2013. № 4. С. 44 46.Tsynaeva A.L., Tsynaeva E.A., Shkolin E.V. Study of methods for intensifying heat transfer in a temperature stratification pipe. University Proceedings. Aviation Technology. 2013;4:44–46. (In Russ).Ковальногов Н.Н., Фокеева Е.В. Повышение эффективности газодинамической температурной стратификации за счет использования дисперсного рабочего тела // Материалы V Международной научно-технической конференции «Современные научно-технические проблемы транспорта». Ульяновск, 2009. С. 64 – 67.Kovalenogov N.N., Fokeeva E.V. Increasing the efficiency of gas-dynamic temperature stratification by using dispersed working substances. Proceedings of the V International Scientific and Technical Conference “Modern Scientific and Technical Transport Problems. Ulyanovsk, 2009: 64–67. (In Russ).Температурная стратификация в сверхзвуковом дисперсном потоке / Н.Н. Ковальногов, Л.М. Магазинник, Е.В. Фокеева, М.А. Кузьмина // Труды XVII Школы-семинара молодых специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева. М.: Изд-во МЭИ. 2009. Т.2. С. 213 – 216.Temperature stratification in a supersonic dispersed flow. N.N. Kovalenogov, L.M. Magazinnik, E.V. Fokeeva, M.A. Kuzmina. Proceedings of the XVII School-Seminar for Young Scientists under the leadership of RAS Academician A.I. Leont’ev. M.: MEI Publishing. 2009; 2:213–216. (In Russ).Карпухина Т.В., Ковальногов В.Н., Цветова Е.В. Повышение эффективности температурной стратификации отработанного сушильного агента//Вестник научных исследований. 2019. Т. 2, № 3. С. 50-57.Karpukhina T.V., Kovalenogov V.N., Tsvetova E.V. Improving the efficiency of temperature stratification of exhaust drying agents. Bulletin of Scientific Research. 2019; 2(3):50–57. (In Russ).Тарасевич С.Э., Филин В.4., Щукин В.К. Теплоотдача дисперсного потока на непроницаемой и проицаемой стенках плоского асимметричного сопла//Изв. вузов. Авиационная техника. 2001.№1.С.47-50.Tarasevich S.E., Filin V.A., Shchukin V.K. Heat transfer of a dispersed flow on impermeable and permeable walls of a flat asymmetric nozzle. University Proceedings. Aviation Technology. 2001;1:47–50.(In Russ).Хазов Д.Э. Моделирование течения в плоском канале при наличии тренировок и теплооб-мена // Труды XV Школы-семинары молодых ученых и специалистов под руково-дством академика РАН А.И. Леонтьева. В 2-х томах. Т. 1. Калуга. 23-27 мая 2005 г. М.: Изд-во МЭИ. 2005. С. 121-124Khazov D.E. Modeling of flow in a flat channel with friction and heat transfer. Proceedings of the XV School-Seminar for Young Scientists and Specialists under the leadership of RAS Academician A.I. Leont’ev. In two volumes. Kaluga. May 23–27, M.: MEI Publishing. 2005; 1:121–124. (In Russ).Цынаева А.Л., Цынаева Е.А., Школин Е.В. Исследование методов интенсификации теплообмена в трубе температурной стратификации // Изв. вузов. Авиационная техника. 2013. Nº 4. С. 44 46.Tsynaeva A.L., Tsynaeva E.A., Shkolin E.V. Study of methods for intensifying heat transfer in a temperature stratification pipe. University Proceedings. Aviation Technology. 2013;4:44–46. (In Russ).Олимпиев В.В. Поверхности теплообмена с интенсифицированной теплоотдачей и пониженным сопротивлением // Изв. вузов. Авиационная техника. 2000. № 3. С. 35-38.Olympiev V.V. Heat transfer surfaces with enhanced heat dissipation and reduced resistance. University Proceedings. Aviation Technology. 2000; 3: 35–38. (In Russ).Попович С.С., Виноградов Ю.4., Стронгин М.М. Экспериментальное исследование возможности интенсификации теплообмена в устройстве безмашинного энергоразделения потоков // Вестник СГАУ. 2015. Т. 14. №2. С. 159-169.Popovich S.S., Vinogradov Yu.A., Strongin M.M. Experimental study of the possibility of intensifying heat transfer in a non-mechanical energy separation device. Bulletin of SSAU. 2015;14(2):159–169. (In Russ).Тарасевич С.Э., Филин В.4., Щукин В.К. Теплоотдача дисперсного потока на непроницаемой и проницаемой стенках плоского асиметричного сопла//Изв. вузов. Авиационная техника. 2001. №1.С. 47-50.Tarasevich S.E., Filin V.A., Shchukin V.K. Heat transfer of a dispersed flow on impermeable and permeable walls of a flat asymmetric nozzle. University Proceedings. Aviation Technology. 2001;1: 47–50. (In Russ).Gifford W.E., Longsworth Pulse-tube Refrigeration // Journal of Manufacturing Science and Engineering. 1964. ol. 86. Iss. 3. P. 264-268.Gifford W.E., Longsworth. Pulse-tube Refrigeration. Journal of Manufacturing Science and Engineering. 1964;86(3)264–268.Керн Д., Краус А. Развитые поверхности теплообмена. М.: Энергия, 1977. 464 сKern D., Kraus A. Enhanced Heat Transfer Surfaces. M.: Energy, 1977: 464. (In Russ).Hall I.M., Berry On the Heating effect n a Resonance tube//Journal of the Aerospace Sciences. 1959.26. 253.Hall I.M., Berry. On the Heating Effect in a Resonance Tube. Journal of the Aerospace Sciences. 1959;26: 253.Цынаева А.А. Моделирование системы комбинированного охлаждення лопаток турбомашин с вихревым энергоразделителем: Автореф, дис. .. канд, техн. наук. Ульяновск: УлГТУ, 2004. 19 с.Tsynaeva A.A. Modeling of a combined cooling system for turbine blades with a vortex energy separator: Abstract of dissertation for the degree of candidate of technical sciences. Ulyanovsk: Ulyanovsk State Technical University, 2004;19. (In Russ).Ковальногов Н.Н. Выбор оптимальных параметров процесса газодинамической температурной стратификации в сверхзвуковом газовом потоке // Изв, вузов. Авиационная техника. 2010.- №3.-С. 28-31.Kovalenogov N.N. Selection of optimal parameters for the process of gas-dynamic temperature stratification in a supersonic gas flow. University Proceedings. Aviation Technology. 2010;3:28–31. (In Russ).Leont’ev A. I. Temperature stratification of supersonic gas flow // Doklady Physics. 1997;42(6):309–311.Leont’ev A.I. Temperature stratification of supersonic gas flow. Doklady Physics. 1997;42(6):309–311.Цынаева А.А., Цынаева Е.А., Школин Е.В. Об использовании тепловых труб для повышения эффективности газодинамической температурной стратификации // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. — 2013. — № 3 (41). — Часть 2. — С. 192-197.Tsynaeva A.A., Tsynaeva E.A., Shkolin E.V. On the use of heat pipes to improve the efficiency of gasdynamic temperature stratification. Bulletin of the Samara State Aerospace University. 2013;3 (41) Part 2: 192–197. (In Russ).Попович С.С., Виноградов Ю.4., Стронгин М.М. Экспериментальное исследование возможности интенсификации теплообмена в устройстве безмашинного энергоразделения потоков // Вестник СГАУ. 2015. Т. 14. № 2. С. 159-169.Popovich S.S., Vinogradov Yu.A., Strongin M.M. Experimental study of the possibility of intensifying heat transfer in a non-mechanical energy separation device. Bulletin of SSAU. 2015; 14(2):159–169. (In Russ)Бурцев С.А. Исследование путей повышения эффективности газодинамического энергоразделения // Теплофизика высоких температур — 2014 — Т.52, №1. — С. 14–21.Burtsev S.A. Study of ways to improve the efficiency of gas-dynamic energy separation. High Temperature Physics. 2014;52(1):14–21 (In Russ).

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