доктор технических наук, ведущий научный сотрудник проблемной научноисследовательской лаборатории (ПНИЛ) – 204,
125993, г. Москва, A-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д. 4
Dr. Sci. (Technical), Leading researcher, Problematic scientific-research Laboratory – 204,
125993, Moscow, A-80, GSP-3, Volokolamskoe Shosse, 4
Цель. Цель работы состоит в исследовании и доказательстве зависимости от числа Прандтля распределения интегрального теплообмена при турбулентном конвективном теплообмене в трубе с последовательностью периодических выступов полукруглой геометрии на основе численного решения системы уравнений Рейнольдса, замыкаемых с помощью модели переноса сдвиговых напряжений Ментера, и уравнения энергии на разномасштабных пересекающихся структурированных сетках.
Метод. Расчёт проводился на базе теоретического метода, основанного на решении факторизованным конечно-объёмным методом уравнений Рейнольдса, замыкаемых с помощью модели переноса сдвиговых напряжений Ментера, и уравнения энергии на разномасштабных пересекающихся структурированных сетках (ФКОМ).
Результат. Расчёты показали, что с увеличением числа Прандтля при малых числах Рейнольдса сначала имеет место заметное увеличение относительного теплообмена, а потом относительный теплообмен изменяется меньше, причём для малых шагов имеет место его увеличение, для средних — почти стабилизация, для больших — незначительное снижение. При больших числах Рейнольдса происходит снижение относительного теплообмена с увеличением числа Прандтля при дальнейшей его стабилизации. Проведён анализ полученных расчётных зависимостей относительного теплообмена от числа Прандтля Рr при различных значениях относительной высоты турбулизатора h/D, относительного шага между турбулизаторами t/D, при различных значениях числа Рейнольдса Re, при прочих равных условиях, который показал качественные и количественные изменения рассчитываемых параметров.
Вывод. При малых числах Рейнольдса высота турбулизатора меньше, а при больших — меньше, высоты пристенного слоя, следовательно, имеет место турбулизация только ядра потока, что приводит только к увеличению гидросопротивления и к неувеличению теплообмена. На основании ограниченного расчётного материала было теоретически подтверждено ощутимое снижение уровня интенсификации теплообмена для малых чисел Прандтля. Полученные результаты интенсифицированного теплообмена в области низких чисел Прандтля обосновывают перспективную разработку исследований в данном направлении. Полученные в работе теоретические данные детерминировали закономерности относительного теплообмена в широком диапазоне чисел Прандтля, в том числе в тех областях, где ещё не существует экспериментального материала.
Objectives. The aim is to study the dependency of the distribution of integral heat transfer during turbulent convective heat transfer in a pipe with a sequence of periodic protrusions of semicircular geometry on the Prandtl number using the calculation method based on a numerical solution of the system of Reynolds equations closed using the Menter’s shear stress transport model and the energy equation on different-sized intersecting structured grids.
Method. A calculation was carried out on the basis of a theoretical method based on the solution of the Reynolds equations by factored finite-volume method closed with the help of the Menter shear stress transport model, as well as the energy equation on different-scaled intersecting structured grids (fast composite mesh method (FCOM)).
Results. The calculations performed in the work showed that with an increase in the Prandtl number at small Reynolds numbers, there is an initial noticeable increase in the relative heat transfer. With additional increase in the Prandtl number, the relative heat transfer changes less: for small steps, it increases; for median steps it is almost stabilised, while for large steps it declines insignificantly. At large Reynolds numbers, the relative heat transfer decreases with an increase in the Prandtl number followed by its further stabilisation.
Conclusion. The study analyses the calculated dependencies of the relative heat transfer on the Pr Prandtl number for various values of the relative h/D height of the turbulator, the relative t/D pitch between the turbulators and for various values of the Re Reynolds number. Qualitative and quantitative changes in calculated parameters are described all other things being equal. The analytical substantiation of the obtained calculation laws is that the height of the turbuliser is less for small Reynolds numbers, while for large Reynolds numbers, it is less than the height of the wall layer. Consequently, only the core of the flow is turbulised, which results in an increase in hydroresistance and a decrease in heat transfer. In the work on the basis of limited calculation material, a tangible decrease in the level of heat transfer intensification for small Prandtl numbers is theoretically confirmed. The obtained results of intensified heat transfer in the region of low Prandtl numbers substantiate the promising development of research in this direction. The theoretical data obtained in the work have determined the laws of relative heat transfer across a wide range of Prandtl numbers, including in those areas where experimental material does not currently exist.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.