vestifmИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-математических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physics and Mathematics Series1561-24302524-2415The Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-2430-2018-54-4-499-506vestifm-357Research ArticleФИЗИКАPHYSICSСравнительный анализ результатов экспериментального исследования и численного моделирования теплоотдачи однорядного пучка оребренных труб при смешанной конвекцииComparative analysis of experimental investigations and numericalsimulation of single-row finned tube bundle at mixed convectionМаршаловаГ. С.MarshalovaG. S.

аспирант

Postgraduate Student

galiana.sidorik@gmail.comСверчковС. А.SverchkovS. A.

младший научный сотрудник

Junior Researcher

serge0788@gmail.comБелорусский государственный технологический университет, МинскBelarusian State Technological University, MinskИнститут тепло- и массообмена им. А. В. Лыкова Национальной академии наук Беларуси, МинскA. V. Luikov Heat and Mass Transfer Institute of the National Academy of Sciences of Belarus, Minsk201811012019544499506Copyright © Маршалова Г.С., Сверчков С.А., 20192019Маршалова Г.С., Сверчков С.А.Marshalova G.S., Sverchkov S.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestifm.belnauka.by/jour/article/view/357

Смешанно-конвективный теплоперенос имеет большое значение для широкого класса инженерных задач. Однако проведение экспериментов по изучению смешанной конвекции требует значительных расходов на реализацию, высокой мощности оборудования, а также больших временных затрат, поэтому предлагается расширять границы экспериментальных исследований с помощью численного моделирования. В настоящей работе проведено численное моделирование смешанно-конвективного теплообмена однорядного пучка из биметаллических ребристых труб и его сопоставление с экспериментальными данными. Для численного моделирования была осуществлена трехмерная постановка задачи. Для моделирования теплопередачи от ребер труб к воздуху решалась сопряженная задача. При численном моделировании количества движения воздуха учитывалось, что число Рейнольдса, построенное по диаметру несущей трубы и скорости в межреберном канале, изменялось от 100 до 720. Для замыкания уравнения Рейнольдса была использована k–ω модель переноса сдвиговых напряжений Ментера в стандартной постановке. Полученная визуализация течения на поверхности трубы позволила выявить переходный характер течения воздуха. Визуализация распределения температур в пучке и вытяжной шахте дала возможность увидеть структуру охлаждения оребренного пучка при смешанной конвекции. Результаты проведенного моделирования и экспериментальных исследований хорошо согласуются и могут быть использованы для расширения границ эксперимента.

Mixed convective heat transfer is very important for a wide class of engineering tasks. However, the experimental study of mixed convection requires significant implementation costs, high-power equipment, as well as large time costs, so it is proposed to expand the scope of experimental studies using numerical simulation. Numerical simulation of the single-row bundle consisting of bimetallic finned tubes at mixed air convection conditions was performed and experimental data were compared. The formulation of the third-dimensional problem for numerical simulation was realized. The conjugated problem for heat exchange modeling from the tube fins to air was solved. In numerical simulation of air momentum it was taken into account that the Reynolds number based on tube diameter and velocity in the space between fins was varied from 100 to 720. Menter’s k–ω shear stress transport model in standard formulation was used to close the Reynolds equations. Flow visualization on the tube surface revealed the transient nature of the air flow. The temperature distribution visualization in the bundle and the exhaust mine made it possible to see the nature of cooling the finned bundle at mixed convection. Results of numerical simulation and experimental investigations are in good agreement and can be used for expansion of the scope of experiments. The experimental data and the numerical simulation results for the single-row bundle consisting of bimetallic finned tubes at mixed air convection are compared in this paper. Flow near tube surfaces was visualized, and the temperature and velocity distributions in a bundle and in the exhaust mine were obtained.

смешанная конвекциячисленное моделированиевоздухоохлаждаемый теплообменниквытяжная шахтарасчетная сеткаk–ω модель переноса сдвиговых напряжений Ментеравизуализация теченияmixed convectionnumerical simulationair-cooled heat exchangerexhaust minecomputational meshMenter’s k–ω shear stress transport modelflow visualizationReferencesСвободноконвективные течения: тепло- и массообмен: в 2 кн.: пер. с англ. / Б. Гебхарт [и др.]; под ред. О. Г. Мартыненко. – М.: Мир, 1991. – Кн. 1. – 678 с.Gebhart B., Jaluria Y., Mahajan Roop L., Sammakia B. Buoyancy-Induced Flows and Transport. Springer-Verlag, 1988.Szewczyk, А. А. Combined Forced and Free-Convection Laminar Flow / A. A. Szewczyk // J. Heat Transfer. – 1964. – Vol. 86, № 4. – С. 501–507. https://doi.org/10.1115/1.3688729Szewczyk А. А. Combined Forced and Free-Convection Laminar Flow. Journal of Heat Transfer, vol. 86, no. 4, pp. 501–507. https://doi.org/10.1115/1.3688729Merkin, J. H. The effect of buoyancy forces on the boundary-layer flow over a semi-infinite vertical flat plate in a uniform free stream / J. H. Merkin // J. Fluid Mechanics. – 1969. – Vol. 35, № 3. – P. 439−450. https://doi.org/10.1017/s0022112069001212Merkin J. H. The effect of buoyancy forces on the boundary-layer flow over a semi-infinite vertical flat plate in a uniform free stream. Journal of Fluid Mechanics, 1969, vol. 35, no. 3, pp. 439−450. https://doi.org/10.1017/s0022112069001212Lloyd, J. R. Combined forced and free convection flow on vertical surface / J. R. Lloyd, E. M. Sparrow // Int. J. Mass Transfer. – 1970. – Vol. 13, № 2. – P. 434−438. https://doi.org/10.1016/0017-9310(70)90119-5Lloyd J. R., Sparrow E. M. Combined forced and free convection flow on vertical surface. International Journal of Heat and Mass Transfer, 1970, vol. 13, no. 2, pp. 434−438. https://doi.org/10.1016/0017-9310(70)90119-5Мильман, О. О. Экспериментальное исследование теплообмена при естественной циркуляции воздуха в модели воздушного конденсатора с вытяжной шахтой / О. О. Мильман // Теплоэнергетика. – 2005. – № 5. – С. 16–19.Mil’man O. O. Experimental study of heat transfer at natural air circulation in the model of an air condenser with an exhaust shaft. Teploenergetika = Thermal Engineering, 2005, no. 5, pp. 16–19 (in Russian).Васильев, Ю. Н. Системы охлаждения компрессорных и нефтеперекачивающих станций / Ю. Н. Васильев, Г. А. Марголин. – СПб.: Недра, 1977. – 222 с.Vasil’ev Ju. N. Cooling Compressor and Pumping Stations. Saint Petersburg, Nedra Publ., 1977. 222 p. (in Russian).Сидорик, Г. С. Экспериментальный стенд для исследования тепловых и аэродинамических процессов смешанно-конвективного теплообмена круглоребристых труб и пучков / Г. С. Сидорик // Тр. БГТУ. Сер. 1, Лесное хоз-во, природопользование и перераб. возобновляемых ресурсов. – 2018. – № 1 (204). – С. 85–93.Sidorik G. S. The experimental stand for a research of thermal and aerodynamic processes of mixed convection heat exchange for round-funed pipes and bunches. Trudy BGTU. Seriya 1, Lesnoe khozyaistvo, prirodopol’zovanie i pererabotka vozobnovlyaemykh resursov = Proceedings of BSTU. Series 1, Forestry. Environmental management. Reprocessing of renewable resources, 2018, no. 1, pp. 85–93 (in Russian).Самородов, А. В. Совершенствование методики теплового расчета и проектирования аппаратов воздушного охлаждения с шахматными оребренными пучками: автореф. дис. … канд. техн. наук: 05.14.14 / А. В. Самородов. – СПб., 1999. – 22 с.Samorodov A. V. Improvement of Methods of Thermal Calculation and Design of Air Cooling Devices with Staggered Finned Beams. Saint Petersburg, 1999. 22 p. (in Russian).Сухоцкий, А. Б. Интенсификация свободной конвекции в однорядном оребренном пучке в аппаратах воздушного охлаждения / А. Б. Сухоцкий, Г. С. Сидорик // Тр. БГТУ. Сер. 2, Хим. технологии, биотехнологии, геоэкология. – 2017. – № 1 (193). – С. 68–74.Sukhotskii A. B., Sidorik G. S. Intesification of free convection in a single row finned bunch in air cooler heat exchangers Trudy BGTU. Seriya 2, Khimicheskie tekhnologii, biotekhnologii, geoekologiya = Proceedings of BSTU. Series 2, Chemical technologies. Biotechnology. Geoecology, 2017, no. 1, pp. 68–74 (in Russian).Примеры расчетов нестандартизованных эффективных теплообменников / В. Б. Кунтыш [и др.]; под. ред. В. Б. Кунтыша, А. Н. Бессонного. – СПб.: Недра, 2000. – 300 с.Kuntysh V. B., Bessonnyi A. N., Dreitser G. A., Egorov I. F. Examples of calculations of non-standard efficient heat exchangers. Saint Petersburg, Nedra Publ., 2000. 300 p. (in Russian).Численное моделирование вихревой интенсификации теплообмена в пакетах труб / Ю. А. Быстров [и др.]. – СПб.: Судостроение, 2005. – 392 с.Bystrov Yu. A., Isaev S. A., Kudryavtsev N. A., Leont’ev A. I. Numerical simulation of vortex intensification of heat exchange in packages of tubes. Saint Petersburg, Sudostroenie Publ., 2005. 392 p. (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.