Моделирование динамики смерчевых структур в трубе с турбулизаторами квадратных, полукруглых и треугольных профилей

Цель. Целью исследования является моделирование изменения  по времени смерчевых композиций в каналах с выступами полукруглых, треугольных, квадратных профилей для средних критериев Рейнольдса на базе многоблочной вычислительной технологии с решением конечно-объёмными факторизованными способами уравнения Рейнольдса и уравнений энергий.

Метод. Расчёты проводились на основе теоретических подходов, основанных на решении конечно-объёмными факторизованными способами уравнений Рейнольдса, которые замыкались при помощи моделирования ментеровских напряжений и энергии структурированной  сетке.

Результат. Расчёты параметров потока и теплоотдачи, зависящих от времени, показали, что превышающая диссипации выработки турбулентностей для выступов острых профилей - квадратный профиль, треугольный профиль - и скруглённых профилей - полукруглый профиль, сегментный профиль - обеспечивается с кардинально различными гидравлическими потерями: у каналов с выступами скруглённых профилей. Например, у полукруглых, коэффициенты гидравлических сопротивлений гораздо меньшие, чем у каналов с выступам с острыми профилями, у треугольных или у квадратных, прямоугольных.

Вывод. Произведено моделирование смерчевых композиций, зависящих от времени, в каналах с трансверсальными профилями в виде квадрата, треугольника и полукруга, что максимально информативно в плане изучения турбулизированных течений и теплообмена, возникающих при средних критериях Рейнольдса на базе компьютерной многоблочной технологии при использовании решения конечно-объёмными факторизованными способами (ФКОМ-ами) рейнольдсовых уравнений и энергетических уравнений. Рассмотрению были подвергнуты выступы: квадратных трансверсальных профилей, в которых смерчеобразования наиболее проявлены, а побочные смерчи воздействуют на поток максимальным образом; треугольных трансверсальных профилей, где смерчеобразования проявляются не так сильно, а побочные смерчи влияют на основной поток слабее, чем при квадратных выступах; полукруглых трансверсальных профилей, в которых набегающий главный смерч перемещается по потоку с генерированием ограниченных побочных смерчей. Полученнaя расчётная информация в высокой степени коррелирует с имеющимися опытными данными, что указывает на верификацию задействованного моделирования.

1. 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 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. Расчёт 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. Расчёт конвективного теплообмена в трубе с периодически расположенными поверхностными турбулизаторами потока // Теплофизика высоких температур. — 2005. — Т. 43. — № 2. — С. 223—230.

4. Лобанов И.Е. Математическое моделирование интенсифицированного теплообмена при турбулентном течении в каналах: Дисс. … докт. техн. наук. — М.: МАИ, 2005. — 632 с.

5. Калинин Э.К., Дрейцер Г.А., Ярхо С.А. Интенсификация теплообмена в каналах. — М.: Машиностроение, 1972. — 220 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. — 288 с.

10. 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 IV. Специальные аспекты математического моделирования гидрогазодинамики, теплообмена, а также теплопередачи в теплообменных аппаратах с интенсифицированным теплообменом. — М.: МГАКХиС, 2011. — 343 с.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. Лобанов И.Е. Математическое моделирование структуры вихревых зон между периодическими поверхностно расположенными турбулизаторами потока полукруглого и квадратного поперечного сечения // Отраслевые аспекты технических наук. — 2012. — № 9. — С. 11—30.

16. Интенсификация теплообмена. Успехи теплопередачи, 2 / Ю.В.Вилемас, Г.И.Воронин, Б.В.Дзюбенко и др.; Под ред. А.А. Жукаускаускаса и Э.К. Калинина. — Вильнюс: Москслас, 1988. — 188 с.

17. Лобанов И.Е. Математическое моделирование динамики развития вихревых структур в трубах с турбулизаторами // Mосковское научное обозрение. — 2013. — № 12. — С. 9—15.

18. Лобанов И.Е. Математическое моделирование динамики развития вихревых структур в трубах с турбулизаторами // Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника. — 2014. — № 38. — C. 16—31.

19. Лобанов И.Е. Теория динамики вихревых структур в трубах с турбулизаторами // Научное обозрение. — 2015. — № 22. — С. 226—237.