Газодинамика и теплообмен стационарных и пульсирующих потоков воздуха в круглой и треугольной прямолинейных трубопроводах при разной степени турбулентности

АКТУАЛЬНОСТЬ исследования определяется тем, что нестационарные газодинамические явления в трубопроводах сложной конфигурации широко распространены в теплообменном и энергетическом оборудовании. Поэтому изучение уровня теплоотдачи пульсирующих потоков воздуха в круглой и треугольной трубах при разной степени турбулентности является актуальной и значимой задачей для развития науки и технологий.

ЦЕЛЬ. Оценить влияние газодинамической нестационарности (пульсаций потока) на степень турбулентности и интенсивность теплоотдачи потоков воздуха в прямолинейных трубах с разными формами поперечного сечения.

МЕТОДЫ. Исследования проводились на лабораторном стенде на основе метода тепловой анемометрии и автоматизированной системы сбора и обработки экспериментальных данных. В работе использовались прямолинейные круглая и треугольная трубы с одинаковыми площадями поперечного сечения. Пульсации потока от 3 до 15,8 Гц генерировались посредством вращающейся заслонки. Степень турбулентности пульсирующих потоков изменялась от 0,03 до 0,15 посредством установки стационарных плоских турбулизаторов. Рабочей средой был воздух с температурой 22 ± 1С^о движущийся со скоростью от 5 до 75 м/с.

РЕЗУЛЬТАТЫ. Получены экспериментальные данные о мгновенных значениях скорости и локального коэффициента теплоотдачи стационарных и пульсирующих потоков воздуха с разным уровнем турбулизации в прямолинейных трубах с разными формами поперечного сечения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Установлено, что наличие газодинамической нестационарности приводит к увеличению степени турбулентности на 47-72 % в круглой трубе и на 36-86 % в треугольной трубе. Наличие газодинамическая нестационарность вызывает интенсификацию теплоотдачи в круглой трубе на 2635,5 % и на 24-36 % в треугольной трубе. Показано, что существенное увеличение степени турбулентности приводит к росту коэффициента теплоотдачи пульсирующих потоков в круглой трубе на 11-16 % и, наоборот, снижению коэффициента теплоотдачи на 7-24 % в треугольной трубе. Полученные результаты могут найти применение при проектировании теплообменных аппаратов и систем газообмена в энергетических машинах, а также при создании устройств и аппаратов импульсного действия.

1. Yang K.-S., Jiang M.-Y., Tseng C.-Y., Wu S.-K., Shyu J.-C. Experimental investigation on the thermal performance of pulsating heat pipe heat exchangers // Energies. 2020. Vol. 13(1). Article number 269.

2. Matouq J., Al-Waked R., Al-Rashdan M., Mustafa D.B., Nasif M.S. Computational Fluid Dynamics Analysis of Slip Flow and Heat Transfer at the Entrance Region of a Circular Pipe // Applied Sciences (Switzerland). 2024. Vol. 14(15). Article number 6528.

3. Winkler N. Effect of pressure oscillations on in-cylinder heat transfer - Through large eddy simulation // International Journal of Engine Research. 2015. Vol. 16(6). Р. 705-715.

4. Nishandar S.V., Pise A.T., Bagade P.M., Gaikwad M.U., Singh A. Computational modelling and analysis of heat transfer enhancement in straight circular pipe with pulsating flow // International Journal on Interactive Design and Manufacturing. 2024.

5. Hayrullin A., Haibullina A., Sinyavin A., Ilyin V. Experimental study of the in-line tube bundle thermal performance in pulsating flow // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2024. Vol. 232. Article number 125916.

6. Van Buren S., Miranda A.C., Polifke W. Large eddy simulation of enhanced heat transfer in pulsatile turbulent channel flow // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2019. Vol. 144. Article number 118585.

7. Nakamura H., Saito R., Yamada S. Delay in response of turbulent heat transfer against acceleration or deceleration of flow in a pipe // International Journal of Heat and Fluid Flow. 2020. Vol. 85. Article number 108661.

8. Simonetti M., Caillol C., Higelin P., Dumand C., Revol E. Experimental investigation and 1D analytical approach on convective heat transfers in engine exhaust-type turbulent pulsating flows // Applied Thermal Engineering. 2020. Vol. 165. Article number 114548.

9. Kato Y., Guo G., Kamigaki M., Fujimoto K., Kawaguchi M., Nishida K., Koutoku M., Hongou H., Yanagida H., Ogata Y. An Examination of Heat Transfer Dynamics in Pulsating Air Flow within Pipes: Implications for Automotive Exhaust Engines // International Journal of Heat and Technology. 2023. Vol. 41(4). Р. 815-826.

10. Тимербаев Н.Ф., Али А.К., Альмохаммед О.А.М., Корякин А.Р. Моделирование влияния продольного прямоугольного оребрения на эффективность теплообмена // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2019. Т. 21. № 4. С. 48-57.

11. De Maio M., Latini B., Nasuti F., Pirozzoli S. Direct numerical simulation of turbulent flow in pipes with realistic large roughness at the wall // Journal of Fluid Mechanics. 2023. Vol. 974. Article number A40.

12. Xifeng W., Xiaoluan Z., Mahariq I., Ghalandari M, Ghadak F., Abedini M. Performance Optimization of the Helical Heat Exchanger With Turbulator // Frontiers in Energy Research, 2022, 9, 789316.

13. Nikitin N. Turbulent secondary flows in channels with no-slip and shear-free boundaries // Journal of Fluid Mechanics. 2021. Vol. 917.

14. Kumar R., Varun, Kumar A. Thermal and fluid dynamic characteristics of flow through triangular cross-sectional duct: A review // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2016. Vol. 61. Р. 123-140.

15. Guo G., Kamigaki M., Inoue Y., Nishida K., Hongou H., Koutoku M., Yamamoto R., Yokohata, H., Sumi S., Ogata Y. Experimental study and conjugate heat transfer simulation of pulsating flow in straight and 90° curved square pipes // Energies. 2021. Vol. 14(13). Article number 3953.

16. Nikitin N. Wall friction and heat transfer in turbulent pulsating flow in a square duct // International Journal of Thermal Sciences. 2024. Vol. 196. Article number 108679.

17. Pirozzoli S., Modesti D., Orlandi P., Grasso F. Turbulence and secondary motions in square duct flow // Journal of Fluid Mechanics. 2018. Vol. 840. 631-655.

18. Zhang L., Tian L., Zhang A., Chen H. Effects of the shape of tube and flow field on fluid flow and heat transfer // International Communications in Heat and Mass Transfer. 2020. Vol. 117. Article number 104782.

19. Kurtulmuş N., Sahin B. Experimental investigation of pulsating flow structures and heat transfer characteristics in sinusoidal channels // International Journal of Mechanical Sciences. 2020. Vol. 167. Article number 105268.

20. Nikitin N.V., Popelenskaya N.V., Stroh A. Prandtl’s Secondary Flows of the Second Kind. Problems of Description, Prediction, and Simulation // Fluid Dynamics. 2021. Vol. 56(4). Р. 513-538.

21. Плотников Л.В., Бродов Ю.М., Жилкин Б.П., Неволин А.М., Мисник М.О. Физическое и численное моделирование тепломеханических характеристик стационарных потоков в газовоздушных трактах поршневых двигателей // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2019. Т. 21. № 5. С.22-28.

22. Plotnikov L.V. Gas dynamics and heat exchange of stationary and pulsating air flows during cylinder filling process through different configurations of the cylinder head channel (applicable to piston engines) // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2024. Vol. 233. Article number 126041.

23. Plotnikov L., Plotnikov I., Osipov L., Slednev V., Shurupov V. An Indirect Method for Determining the Local Heat Transfer Coefficient of Gas Flows in Pipelines // Sensors. 2022. Vol. 22 (17). Article number 6395.

24. Плотников Л.В., Григорьев Н.И., Осипов Л.Е., Десятов К.О. Расчетно-экспериментальная оценка интенсивности теплоотдачи стационарных потоков газа в трубах с разными поперечными сечениями с учетом турбулизации течения // Тепловые процессы в технике. 2022. Т. 14, №5. С. 218– 224.

25. Plotnikov L.V. Thermal-mechanical characteristics of stationary and pulsating gas flows in a gasdynamic system (in relation to the exhaust system of an engine) // Thermal Science. 2022. Vol. 26(1A). P. 365-376.

26. Davletshin I.A., Mikheev N.I., Paereliy A.A., Gazizov I.M. Convective heat transfer in the channel entrance with a square leading edge under forced flow pulsations // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2019. Vol. 129. Р. 74-85.

27. Wang X., Zhang N. Numerical analysis of heat transfer in pulsating turbulent flow in a pipe // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2005. Vol. 48(19). Р. 3957-3970.

28. Terekhov V.I. Heat Transfer in Highly Turbulent Separated Flows: A Review // Energies. 2021. Vol. 14. Article number 1005.