МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА НА ВОЗДУХЕ В КРУГЛЫХ ТРУБАХ С ТРЕУГОЛЬНЫМИ И КВАДРАТНЫМИ ТУРБУЛИЗАТОРАМИ ДЛЯ ВЫСОКИХ, ВПЛОТЬ ДО МИЛЛИОНА, КРИТЕРИЕВ РЕЙНОЛЬДСА


https://doi.org/10.21822/2073-6185-2021-48-1-37-50

Полный текст:


Аннотация

Цель. Математическое моделирование систем структур cмерчевых зон между циклическими турбулизаторами потоков с поверхностным расположением треугольных и квадратных поперечных профилей на базе многоблочно-вычислительных технологий, основывающихся на решениях факторизованной конечно-объёмной процедурой уравнений Рейнольдса (замыкающихся посредством модели переносов напряжений сдвига Ментера) и уравнений энергий (на разномасштабнопересекающейся структурированной сетке) при высоких  критериях Рейнольдса Re=106 с приведением исчерпывающего анализа соответствующих линий токов.

Метод. Расчёты основаны на решении факторизованной конечно-объёмной процедуре уравнений Рейнольдса, которые замыкаются с помощью низкорейнольдсовой модели переносов напряжений сдвига Ментера, и уравнений энеpгии на разномасштабнo- пересекающейся структурированнoй сетке (ФКОМ).

Результат. Проведены математические моделирования теплообменного процесса в прямых и круглых  горизонтальных трубах с турбулизаторами с d/D=0,95...0,90 и t/D=0,25...1,00 треугольного  и квадратного поперечных профилей при больших числах Рейнольдса (Re=106) на фундаменте с многоблочными вычислительными технологиями, которые основаны на решениях факторизованным и конечно-объёмным алгоритмом рейнольдсовых уравнений и уравнений энергии. Получено, что относительная интенсификация теплообмена [(Nu/NuГЛ)|Re=106]/[(Nu/NuГЛ)|Re=105] в круглых трубах с квадратными турбулизаторами на воздухе для больших чисел Рейнольдса (Re=106), что вполне может быть актуально в применяемых в теплообменниках каналах, может быть выше при  масштабном приращении гидросопротивления, чем для несколько меньших чисел (Re=105),  для относительно высоких турбулизаторов потока d/D=0,90 для всего рассматриваемого  диапазона для параметра относительного шага между ними t/D=0,25...1,00 немногим более 3%; для турбулизаторов треугольных поперечных профилей аналогичные показатели  примерно такие же. При более низких квадратных турбулизаторах с d/D=0,95 данное увеличение относительного теплообмена для больших чисел Рейнольдса (Re=106)  сравнительно с меньшими числами (Re=105) не превышает 6%; для турбулизаторов треугольных поперечных профилей аналогичные показатели составляют немногим более  4%.

Вывод. Модель может применяться для осуществления оптимизации интенсификации посредством турбулизаторов, а также управлять процессами интенсификации теплоотдачи.  Для более высоких квадратных турбулизаторов и при более высоких числах Рейнольдса  ограниченное повышение относительного критерия Нуссельта Nu/NuГЛ сопровождается  значительным повышением относительного гидросопротивления по причине очень значительного влияния возвратных течений, которые могут натекать непосредственно на сам турбулизатор в тем большей степени, чем выше число Рейнольдса; для треугольных турбулизаторов вышеуказанная тенденция сохраняется и даже углубляется.


Об авторе

И. Е. Лобанов
Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)
Россия

доктор технических наук, ведущий научный сотрудник ПНИЛ-204 МА

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



Список литературы

1. Дрейцер Г.А., Исаев С.А., Лобанов И.Е. Расчет конвективного теплообмена в трубе с периодическими выступами // Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках: Труды XIV Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И.Леонтьева. М.: МЭИ, 2003. T.1. С. 57—60.

2. Дрейцер Г.А., Исаев С.А., Лобанов И.Е. Расчет конвективного теплообмена в трубе с периодическими выступами // Вестник МАИ. 2004. Т. 11. № 2. С. 28—35.

3. Дрейцер Г.А., Исаев С.А., Лобанов И.Е. Расчет конвективного теплообмена в трубе с периодически расположенными поверхностными турбулизаторами потока // Теплофизика высоких температур. 2005. Т. 43. № 2. С. 223230.

4. Лобанов И.Е. Математическое моделирование интенсифицированного теплообмена при турбулентном течении в каналах: Дисс. на соиск. ученой степени докт. техн. наук. М., 2005. 632 с.

5. Калинин Э.К., Дрейцер Г.А., Ярхо С.А. Интенсификация теплообмена в каналах. М.: Машиностроение, 1990. 208 с.

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

7. 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 I. Математическое моделирование интенсифицированного теплообмена при турбулентном течении в каналах с применением основных аналитических и численных методов. М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2009. 405 с.

8. 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 II. Математическое моделирование интенсифицированного теплообмена при турбулентном течении в каналах с применением неосновных аналитических и численных методов. М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2010. 290 с.

9. 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. 296 с.

10. Численное моделирование вихревой интенсификации теплообмена в пакетах труб / Ю.А.Быстров, С.А.Исаев, H.A.Кудрявцев, А.И.Леонтьев. СПб: Судостроение, 2005. 398 с.

11. Ashrafian A., Andersson H.I. Roughness Effects in Turbulent Channel Flow // Turbulence, Heat Transfer and Mass Transfer 4. — New York, Wellington (UK): Begell House Inc., 2003. рр. 425—432.

12. Лобанов И.Е. Теоретическое исследование структуры вихревых зон между периодическими, поверхностно расположенными турбулизаторами потока прямоугольного поперечного сечения // Известия вузов. Авиационная техника. 2011. № 4. С. 64-66.

13. 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.

14. Лобанов И.Е. Математическое моделирование теплообмена в трубах с турбулизаторами, а также в шероxоватых трубах, на воздухе при больших числах Рейнольдса // Отраслевые аспекты технических наук. 2013. № 9. С. 8—18.

15. Лобанов И.Е. Математическое моделирование теплообмена и потока в круглых трубах с относительно высокими выступами полукруглого поперечного сечения при течении воздуха при больших числах Рейнольдса // Электронный периодический рецензируемый научный журнал "SCI-ARTICLE.RU". 2019. № 71 (июль). С. 63—76.

16. Лобанов И.Е. Математическое моделирование теплообмена в трубах с турбулизаторами, а также в шероxоватых трубах, на воздухе при больших числах Рейнольдса // Отраслевые аспекты технических наук. 2013. № 9. С. 818.

17. Лобанов И.Е. Теоретическое математическое моделирование течения и теплообмена в прямых круглых трубах с турбулизаторами полукруглого поперечного сечения, а также в шероховатых трубах, на воздухе при больших числах Pейнольдса // Веб-портал профессионального сетевого педагогического сообщества "Ped-library.ru". 2019. Режим доступа: https://ped-library.ru/1548529792.

18. Лобанов И.Е. Математическое низкорейнольдсовое моделирование теплообмена в трубах с турбулизаторами на воздухе при больших числах Рейнольдса // Инновационные подходы в отраслях и сферах. 2019. Том № 4. Bыпуск № 2 (февраль, 2019).

19. Лобанов И.Е. Теория теплообмена в трубах с турбулизаторами при d/D=0,95÷0,90 и t/D=0,25÷1,00, а также в шероховатых трубах, на воздухе при больших числах Рейнольдса Re=1000000 // Веб-портал профессионального сетевого педагогического сообщества "Pedlibrary.ru". 2019. Режим доступа: https://ped-library.ru/ 1561232054.

20. Менялкина Е.Н. Исследование влияния формы оребрения на динамику потока и сопротивление канала // Альманах современной науки и образования. 2017. № 4–5 (118). С. 65—68.

21. Manca O., Nardini S., Ricci D. Numerical Analysis of Water Forced Convection in Channels with Differently Shaped Transverse Ribs // Journal of Applied Mathematics. 2011. DOI: 10.1155/2011/323485.

22. Tong-Miin Liou, Hwang J.J., Chen S.H. Simulation and measurement of enhanced turbulent heat transfer in a channel with periodic ribs on one principal wall // International Journal of Heat and Mass Transfer. 1993. № 36(2). рр. 507—517. DOI: 10.1016/0017-9310(93)80025-P.

23. Ricci D., Manca O., Manca S., Nardini S. Two-Dimensional Numerical Investigation on Forced Convection in Channels With Transversal Ribs // Conference: ASME 2009 International Mechanical Engineering Congress and Exposition, IMECE2009. 2009. DOI: 10.1115/IMECE2009-11203.

24. Chaube A., Sahu P.K., Solanki S.C., Sharma P.B. Effect of Artificial Roughness on Convective Heat Transfer // 40th Thermophysics Conference. 2008. DOI: 10.2514/6.2008-3810.

25. Ahn S,W., Son K.P. An investigation on friction factors and heat transfer coefficients in a rectangular duct with surface roughness // KSME International Journal. 2002. № 16(4). рр. 549—556.

26. Kant K., Qayoum A. Numerical investigations of fluid flow and heat transfer in a ribbed heated duct with variable aspect ratios // Recent Trends in Fluid Mechanics. 2016. V. 3. Iss. 1. рр. 23—37.

27. Kim J.-H., HeoSung-Hoo J.-N., Jeeyoung S. Numerical analysis on heat transfer and pressure drop characteristics in a horizontal channel with various ribs // DOI: 10.5916/jkosme.2013.37.1.40.

28. Smith E., Wayo C. Analysis of turbulent heat transfer and fluid flow in channels with various ribbed internal surfaces // Journal of Thermal Science. 2011. № 20(3). рр. 260-267. DOI: 10.1007/s11630-011-0468-3.

29. Naveen S., Andallib T., Manish M. Experimental Investigation of Heat Transfer Enhancement in Rectangular Duct with Pentagonal Ribs // Heat Transfer Engineering. 2017. DOI: 10.1080/01457632.2017.1421135.

30. Лобанов И.Е. Математическое моделирование теплообмена в трубах с квадратными турбулизаторами при d/D=0,95÷0,90 и t/D=0,25÷1,00 на воздухе при больших числах Рейнольдса Re=1000000 // Веб-портал профессионального сетевого педагогического сообщества "Ped-library.ru". 2019. Режим доступа: https://ped-library.ru/1572707532.


Дополнительные файлы

Для цитирования: Лобанов И.Е. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА НА ВОЗДУХЕ В КРУГЛЫХ ТРУБАХ С ТРЕУГОЛЬНЫМИ И КВАДРАТНЫМИ ТУРБУЛИЗАТОРАМИ ДЛЯ ВЫСОКИХ, ВПЛОТЬ ДО МИЛЛИОНА, КРИТЕРИЕВ РЕЙНОЛЬДСА. Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. 2021;48(1):37-50. https://doi.org/10.21822/2073-6185-2021-48-1-37-50

For citation: Lobanov I.E. SIMULATION OF AIR HEAT TRANSFER IN CIRCULAR PIPES WITH TRIANGULAR AND SQUARE TURBULENCE STIMULATORS FOR HIGH REYNOLDS CRITERIA UP TO ONE MILLION. Herald of Dagestan State Technical University. Technical Sciences. 2021;48(1):37-50. (In Russ.) https://doi.org/10.21822/2073-6185-2021-48-1-37-50

Просмотров: 27

Обратные ссылки

  • Обратные ссылки не определены.


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2073-6185 (Print)
ISSN 2542-095X (Online)