Оценка моделей турбулентности при внешнем обтекании нагреваемой трубы

   Исследование теплообменных процессов с помощью численного моделирования в программных комплексах представляет собой сложную операцию. В ходе проведения численных исследований по передаче тепла необходимо адекватно настроить решение задачи. Для этого подбираются наиболее подходящие модели турбулентности, создаются сеточные модели, задаются граничные условия. Получение достоверных результатов численного моделирования теплообменных процессов напрямую зависит от задания верных параметров, которые необходимо изначально проанализировать. По итогу работы над анализом необходимых параметров можно получить адекватное решение задачи.

   ЦЕЛЬ. Оценить влияние моделей турбулентностей на процесс теплоотдачи и подобрать наиболее подходящую модель для проведения численного моделирования внешнего обтекания нагреваемой трубы. Изучить влияние количественных критериев сеточной модели на точность и сходимость решения численного расчета.

   МЕТОДЫ.  При проведении численного моделирования был использован метод конечных элементов в программном комплексе ANSYS Fluent.

   РЕЗУЛЬТАТЫ. В ходе проведения исследования была подобрана наиболее подходящая модель турбулентности для решения задачи внешнего обтекания нагреваемой трубы. Построена сеточная модель с учетом особенностей рассматриваемой задачи. Определены погрешности в зависимости от количественных критериев сеточной
модели.

   ЗАКЛЮЧЕНИЕ.  Проведенные численные исследования позволили дать сравнительную оценку для труб с различным оребрением. Полученные результаты показали, что замена труб с прямым оребрением на спиральное позволяент увеличить интенсивность теплоотдачи до 40 %.

1. Taler D. Determining velocity and friction factor for turbulent flow in smooth tubes // International Journal of Thermal Sciences. 2016. Vol. 105. pp. 109-122.

2. Taler D. Mathematical modeling and experimental study of heat transfer in a low-duty air-cooled heat exchanger // Energy Conversion and Management. 2018. Vol. 159. pp. 232-243.

3. Taler D., Taler J. Prediction of heat transfer correlations in a low-loaded plate-fin-and-tube heat exchanger based on flow-thermal tests // Applied Thermal Engineering. 2019. Vol. 148. pp. 641-649.

4. Sadeghianjahromi A., Wang C.C. Heat transfer enhancement in fin-and-tube heat exchangers-A review on different mechanisms // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2021. Vol. 137. pp. 110470.

5. Bhuiyan A. A., Islam A. K. M. S. Thermal and hydraulic performance of finned-tube heat exchangers under different flow ranges: A review on modeling and experiment // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2016. Vol. 101. pp. 38-59.

6. Xie G., Wang Q., Sunden B. Parametric study and multiple correlations on air-side heat transfer and friction characteristics of fin-and-tube heat exchangers with large number of large-diameter tube rows // Applied Thermal Engineering. 2009. Vol. 29. N1. pp. 1-16.

7. Gonzalez A.M., Vaz Jr M., Zdanski P.S.B. A hybrid numerical-experimental analysis of heat transfer by forced convection in plate-finned heat exchangers // Applied Thermal Engineering. 2019. Vol. 148. pp. 363-370.

8. Kaminski S., Grab U. Luftseitiger Warmeubergang und Druckverlust in Lamellenrohr-Warmeubertragem// KI. Luft-und Kaltetechnik. 2000. Vol. 36. N1. pp. 13-18.

9. Chang L.M., Wang L.B., Song K.W., et al. Numerical study of the relationship between heat transfer enhancement and absolute vorticity flux along main flow direction in a channel formed by a flat tube bank fin with vortex generators // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2009. Vol. 52. N7-8. pp. 1794-1801.

10. Du X., Feng L., Li L., et al. Heat transfer enhancement of wavy finned flat tube by punched longitudinal vortex generators // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2014. Vol. 75. pp. 368-380.

11. Carpio J., Valencia A. Heat transfer enhancement through longitudinal vortex generators in compact heat exchangers with flat tubes // International Communications in Heat and Mass Transfer. 2021. Vol. 120. pp. 105035.

12. Tepe A.U. Heat transfer enhancement of fin-tube heat exchangers using punched triangular ramp vortex generator on the fin surface // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2021. Vol. 174. pp. 121326.

13. Dhanawade K.H., Sunnapwar V.K., Dhanawade H.S. Optimization of design parameters for lateral circular perforated fin arrays under forced convection // Heat Transfer—Asian Research. 2016. Vol. 45. N1. pp. 30-45.

14. Webb R.L. Air-side heat transfer in finned tube heat exchangers // Heat Transfer Engineering. - 1980. Vol. 1. N 3. pp. 33-49.

15. Zaidan M.H., Alkumait A.A.R., Ibrahim T.K. Assessment of heat transfer and fluid flow characteristics within finned flat tube // Case studies in thermal engineering. 2018. N 12. pp.557-562.

16. Xue Y., Ge Z., Du X., et al. On the heat transfer enhancement of plate fin heat exchanger//Energies. 2018. Vol. 11. N 6. pp. 1398.

17. Sertkaya A.A., San S. Experimental investigation of heat transfer depending on inclination angle of unfinned, axial finned and radial finned heat exchangers // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2021. Vol. 165. pp. 120704.

18. Сухоцкий А.Б., Данильчик E.C. Конвективная теплоотдача однорядных пучков из труб с накатными алюминиевыми ребрами различной высоты при малых числах Рейнольдса // Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. 2021. Т. 64. №. 4. С. 336-348.

19. Гусаков А. А., Греков М. А., Сероштанов В. В. Аэродинамика и теплообмен на поверхности одиночного кольцевого ребра // Научно-технические ведомости Санкт- Петербургского государственного политехнического университета. Физико­-математические науки. 2018. Т. 11. №. 2. С. 151-164.

20. Жукаускас А. А. Конвективный перенос в теплообменниках. М.: Наука, 1982. © Бадретдиноеа Г.Р., Калимуллин И.Р., Зинуров В.Э., Дмитриев А.В. 472 с.