Сравнительный анализ результатов экспериментального исследования и численного моделирования теплоотдачи однорядного пучка оребренных труб при смешанной конвекции

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.

1. Свободноконвективные 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.

2. 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/10.1115/1.3688729

3. Merkin, 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/s0022112069001212

4. Lloyd, 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)90119-5

5. Мильман, 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.

6. Васильев, Ю. Н. Системы охлаждения компрессорных и нефтеперекачивающих станций / Ю. Н. Васильев, Г. А. Марголин. – СПб.: Недра, 1977. – 222 с.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. Примеры расчетов нестандартизованных эффективных теплообменников / В. Б. Кунтыш [и др.]; под. ред. В. Б. Кунтыша, А. Н. Бессонного. – СПб.: Недра, 2000. – 300 с.

11. Численное моделирование вихревой интенсификации теплообмена в пакетах труб / Ю. А. Быстров [и др.]. – СПб.: Судостроение, 2005. – 392 с.