Численное исследование течения и теплообмена в трубе со вставками в виде оребренных скрученных лент

DOI: 10.34759/tpt-2021-13-2-78-84

Авторы

Тарасевич С. Э.¹, Гиниятуллин А. А.²

1. Казанский национальный исследовательский технический университет имени А.Н. Туполева – КАИ, Казань, Россия
2. TGT Oilfield Services, Казань, Татарстан 420108, Россия

Аннотация

Проведено CFD-исследование поведения потока при обтекании одиночного ребра, установленного на поверхности скрученной ленточной вставки в канале круглого сечения. Моделирование проводилось в коммерческом программном пакете ANSYS Fluent в трехмерной постановке. В настоящее время нет универсальной модели турбулентности в отношении изменения интенсивности закрутки потока. При течении в таких каналах появляются дополнительные физические эффекты, такие как отрыв и присоединение потока, образование зон рециркуляции за обтекаемым ребром, которые нельзя игнорировать. Простое увеличение количества дополнительных дифференциальных уравнений для определения характеристик турбулентности не решает проблемы. Для численного моделирования однофазного турбулентного течения несжимаемой жидкости использовались усредненные по Рейнольдсу стационарные уравнения Навье‒Стокса, замкнутые с помощью двух моделей турбулентности. Использовались низкорейнольдсовая модель переноса сдвиговых напряжений Ментера k-ω SST и высокорейнольдсовая модель k-ε в модификации RNG. Для дискретизации приведенных выше уравнений применена структурированная гексаэдральная сетка со сгущением в областях с высокими градиентами скорости перпендикулярно направлению стенки. Расчеты показали, что наличие выступа на поверхности скрученной ленты приводит к значительной перестройке профиля осевой скорости. Максимальное возмущающее воздействие выступа сосредоточено непосредственно в местах его взаимодействия с потоком, однако возмущение распространяется и на некоторое расстояние вниз по потоку. В работе также представлены результаты по теплоотдаче в канале с оребренной скрученной лентой. Результаты моделирования были проверены на соответствие экспериментальным данным авторов. Для скрученных лент с малой высотой ребра сходимость решения превышает 10%. В случае большой высоты выступа (h = 1 мм) результаты сравнения дают максимальную относительную погрешность ±10% для численных расчетов с использованием модели k-ω SST.

Ключевые слова:

численное моделирование, закрученное течение, оребренная лента, теплоотдача

Библиографический список

1. Моффат Г. Некоторые направления развития теории турбулентности. В кн.: Современная гидродинамика. Успехи и проблемы. М.: Мир, 1984. С. 49‒76.

2. Sloan D.G., Smith Ph.J., Smoot L.D. Modelling of swirl in turbulent flow systems // J. of Prog. Energy Combust. Sci. 1986. N 12. P. 163‒250.

3. Брэдшоу Я., Себеси Г., Фернгольц Г.-Г. и др. Турбулентность. М.: Машиностроение, 1980. 343 с.

4. Launder B.E., Priddin C.H., Sharma B.I. The calculation of turbulent boundary layers on spinning and curved surfaces // J. Fluids Engineering. 1977. N 99. P. 231‒239.

5. Гуцол А.Ф. Эффект Ранка // Успехи физ. наук. 1997. Т. 167. № 6. С. 665‒687.

6. Тарасевич С.Э., Яковлев А.Б., Гиниятуллин А.А., Шишкин А.В. Оcобенности тепломассообмена в трубах с различными закручивающими ленточными вставками // Тепловые процессы в технике. 2011. Т. 3. № 3. С. 133‒139.

7. Тарасевич С.Э., Злобин А.В., Яковлев А.Б. Гидродинамика и теплообмен при движении однофазной жидкости в трубах с искусственной шероховатостью // ТВТ. 2015. Т. 53. № 6. С. 938.

8. Гиниятуллин А.А., Тарасевич С.Э., Яковлев А.Б. Экспериментальное и численное исследование тепломассообмена в трубах с оребренными скрученными ленточными вставками // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. 2013. № 2-2. С. 13‒18.

9. Тарасевич С.Э., Шишкин А.В., Гиниятуллин А.А. Теплоотдача в канале с оребренными скрученными лентами // ТВТ. 2020. Т. 58. № 1. С. 107–112.

10. Manglik R.M., Bergles A.E. Swirl flow heat transfer and pressure drop with twisted-tape inserts // Advances in Heat Transfer. 2002. N 36. P. 183‒266.