Моделирование теплообмена и гидравлического сопротивления в коротких и длинных прямых круглых трубах с полукруглыми турбулизаторами в зависимости от геометрических и режимных параметров

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. 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. 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. 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.

1. Эффективные поверхности теплообмена / Э.К.Калинин, Г.А.Дрейцер, И.З.Копп и др. - М.: Энергоатомиздат, 1998. - 408 с.

2. 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.

3. Численные методы исследования течений вязкой жидкости / А.Д.Госмен, В.М. Пан, А.К.Ранчел и др. -М.: Мир, 1986. - 234 с.

4. 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.

5. Menter F.R. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications // AIAA J. - 1994. - V. 32. - № 8. - P. 1598.

6. Юдаев Б.Н. Техническая термодинамика. Теплопередача. - М.: Высшая школа, 1988. - 479 с.

7. Численное моделирование вихревой интенсификации теплообмена в пакетах труб / Ю.А.Быстров, С.А.Исаев, H.A.Кудрявцев и др. - СПб: Судостроение, 2005. - 398 с.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. Лобанов И.Е. Математическое моделирование интенсифицированного теплообмена при турбулентном течении в каналах: Диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук. - М., 2005. - 632 с.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. Лобанов И.Е. Теоретическое исследование кинетической энергии турбулентных пульсаций и её составляющих в трубах с турбулизаторами // Московское научное обозрение. - 2013. - № 1. - С. 23-30.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. 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.

21. 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.