Влияние геометрии выемок на эффективность теплообмена пластины с выемками: усредненные характеристики и прогнозные зависимости


Авторы

Дееб Р. 1, 2*, Дудолин А. А.1, Орлов А. А.1, Бураков И. А.1, Крылова Е. В.1

1. Национальный исследовательский университет «МЭИ», Красноказарменная ул., 14, Москва, 111250, Россия
2. Университет Дамаска, Сирия, Дамаск

*e-mail: e.rawad.deeb@yandex.com, DeebR@mpei.ru

Аннотация

В данной работе исследуется влияние различных геометрий выемок (сферических, эллиптиче-ских, кулачковых и каплевидных при углах атаки 0° и 180°) на средние теплообменные харак-теристики и эффективность теплообмена в диапазоне чисел Рейнольдса 8,5×10³ ≤ Re ≤ ≤ 75×10³. Численное моделирование выполнено с использованием модели турбулентности SST k–ω в программном комплексе ANSYS Fluent. Установлено, что поверхности с выемками улучшают теплообмен за счет формирования вихревых структур и вторичных течений, однако их эффек-тивность существенно зависит от формы выемок и ориентации потока. Наибольшую теплогид-равлическую эффективность продемонстрировали каплевидные выемки при угле атаки 0°, так как их обтекаемая форма способствует плавному повторному присоединению потока и сниже-нию аэродинамического сопротивления. В то же время сферические выемки обеспечивают наиболее интенсивное перемешивание потока, но сопровождаются большими потерями давле-ния. Разработаны корреляционные зависимости, позволяющие прогнозировать характеристики теплообмена для различных конфигураций выемок.

Ключевые слова:

выемка, лунка, угол атаки, вихри, коэффициент теплоотдачи, теплообмен, эффективность, CFD

Список источников

  1. Леонтьева А.И. Вихревые технологии для энергетики. М.: Изд. дом МЭИ, 2017. 500 с.
  2. Ligrani P.M., Oliveira M.M., Blaskovich T. Comparison of heat transfer augmentation techniques // AIAA Journal. 2003. Vol. 41. pp. 337–362. DOI: 10.2514/2.1964
  3. Schukin AV, Kozlov AP, Agachev RS. Study and Application of Hemispheric Cavities for Surface Heat Transfer Aug-mentation // ASME Paper 95-GT-59. 1995. DOI: 10.1115/95-GT-059
  4. Rao Y., Zang S.S. Flow and heat transfer characteristics in latticework cooling channels with dimple vortex gene-rators // ASME Journal of Turbomachinery. 2014. Vol. 136. DOI: 10.1115/1.4025197
  5. Afanasyev V.N., Chudnovsky Y.P., Leontiev A.I. et al. Tur-bulent flow friction and heat transfer characteristics for spherical cavities on a flat plate // Experimental Thermal and Fluid Science. 1993. Vol. 7. P. 1–8. DOI: 10.1016/0894-1777(93)90075-T
  6. Chyu M.K., Yu Y., Ding H. et al. Concavity enhanced heat transfer in an internal cooling passage // ASME Paper 97-GT-437. 1997. DOI: 10.1115/97-GT-437
  7. Moon H.K., O’Connell T., Gletzer B. Channel height effect on heat transfer and friction in a dimpled passage // ASME Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 2000. Vol. 122. pp. 307–313. DOI: 10.1115/1.48 3208
  8. Burgess N.K., Ligrani P.M. Effects of dimple depth on channel Nusselt numbers and friction factors // ASME Journal of Heat Transfer. 2005. Vol. 127. pp. 839–847. DOI: 10.1115/1.1994880
  9. Ligrani PM, Harrison JL, Mahmood GI et al. Flow structure due to dimple depression on a channel surface // Physics of Fluids. 2001. Vol. 13. pp. 3442–3451.
  10. Li B., Liu P., Zheng N. et al. Numerical Simulation of Heli-cally Dimpled Tubes for Convection Heat Transfer and Pressure Drop // Journal of Engineering Thermo-physics. 2016. Vol. 37. pp. 1261–1267.
  11. Isaev S.A., Leontiev A.I., Kornev N.V. et al. Heat transfer intensification for laminar and turbulent flows in a narrow channel with onerow oval dimples // High Temp. 2015. Vol. 53. № 3. pp. 375–386. DOI: 10.1134/S001 8151X15030074
  12. Isaev S.A., Schelchkov A.V., Leontiev A.I. et al. Vortex heat transfer enhancement in the narrow plane-parallel chan-nel with the oval-trench dimple of fixed depth and spot area // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2017. Vol. 109. pp. 40–62. DOI: 10.1016/j.ijh eatmas-stransfer.2017.01.103
  13. Katkhaw N., Vorayos N., Kiatsiriroat T. et al. Heat transfer behavior of flat plate having 45 ellipsoidal dimpled sur-faces // Case Studies in Thermal Engineering. 2014. Vol. 2. pp. 67–74. DOI: 10.1016/j.csite.2013.12.002
  14. Bunker RS, Gotovskii M, Belen’kiy M. et al. Heat Transfer and Pressure Loss for Flows Inside Converging and Di-verging Channels with Surface Concavity Shape Effects // Proc. 4th Int. Conf. Compact Heat Exchangers and En-hancement Technology. (Crete Island, Greece. Sep. 29–Oct. 3. 2003. 10 p). DOI: 10.1615/978-1-56700-195-2.70
  15. Banker R., Belen’kii M.Ya., Gotovsky M.A. et al. Experi-mental and Computational Investigation of the Hydrody-namics and Heat Transfer in a Flat Channel of Variable Width for Smooth and Intensified Surfaces // Heat Trans-fer Research. 2004. Vol. 35. № 1–2. pp. 34. DOI: 10.1615/HeatTransRes.v35.i12.50
  16. Deeb R. The effect of angle-of-attack on heat transfer characteristics of a single drop-shaped tube // Physical-Chemical Kinetics in Gas Dynamics. 2021. Vol. 22. № 5. pp. 43–63.
  17. Deeb R. Experimental and Numerical Investigation of The Effects of Angle-of-Attack on Air Flow Characteristics for Single Drop-Shaped Tube // Physical-Chemical Kinetics in Gas Dynamics. 2021. Vol. 22. № 2. pp. 53–67.
  18. Rao Y., Li B., Feng Y. Heat transfer of turbulent flow over surfaces with spherical dimples and teardrop dimples // Experimental Thermal and Fluid Science. 2015. Vol. 61. pp. 201–209. DOI: 10.1016/j.expthermflusci.20 14.10.030
  19. Дееб Р. Влияние геометрии выемок на теплообмен пластины с выемками: анализ потоковых контуров и локального теплообмена // Тепловые процессы в технике. 2025. Т. 17. № 6. С. 266–278.
  20. ANSYS, Inc. ANSYS FLUENT 12.0 User’s Guide. 2009.

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 2018-2026