Влияние степени турбулентности и пульсаций потока газа на интенсивность теплоотдачи в прямолинейном канале

Аннотация

Рабочее тело, движущееся в нестационарном (пульсирующем) режиме, является основой многих технических и технологических установок. В связи с этим актуально уточнение физического механизма воздействия пульсаций и турбулизации потока на интенсивность теплоотдачи воздуха в канале для разных граничных условий посредством экспериментального подхода. Исследована прямая труба длиной 1300 мм и диаметром 30 мм (43 калибра). Опыты проведены в диапазоне чисел Рейнольдса Re = 10 000--140 000 (развитый турбулентный режим течения). Пульсации потока в канале создавались посредством заслонки, вращающейся с частотой 4...16 Гц. Степень турбулентности потока изменялась в пределах 4...12 % с использованием установки в трубу различных пластинчатых плоских вставок. Метод тепловой анемометрии использован для получения данных о нестационарных значениях скорости и локального коэффициента теплоотдачи. Показана степень влияния газодинамической нестационарности на интенсивность теплоотдачи в канале. Установлено, что рост степени турбулентности пульсирующего потока до 12 % увеличивает коэффициент теплоотдачи на 15...21 %. Определен максимальный рост интенсивности теплоотдачи (на 49...51 %) от совокупного воздействия пульсаций и турбулизации потока воздуха в канале. Полученные результаты применимы для отладки математических моделей и проектирования трубопроводных элементов технических систем с рабочим телом, движущимся в пульсирующем режиме

Работа выполнена при поддержке РНФ (проект № 25-19-00001)

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Плотников Л.В., Осипов Л.Е. Влияние степени турбулентности и пульсаций потока газа на интенсивность теплоотдачи в прямолинейном канале. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2026, № 1 (124), с. 81--96. EDN: WJBDWY

Литература

[1] Haibullina A., Khairullin A., Balzamov D., et al. Local heat transfer dynamics in the in-line tube bundle under asymmetrical pulsating flow. Energies, 2022, vol. 15, no. 15, art. 5571. DOI: https://doi.org/10.3390/en15155571

[2] Razali Hanipah M., Mikalsen R., Roskilly A.P. The real-time interaction model for transient mode investigations of a dual-piston free-piston engine generator. Appl. Therm. Eng., 2022, vol. 212, art. 118629. DOI: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2022.118629

[3] Alrashidi A., Gaheen O.A., Elsemary I.M.M., et al. An experimental study exploring heat transfer enhancement in tube in tube heat exchanger with pulsating flow. Appl. Therm. Eng., 2024, vol. 248-B, art. 123149. DOI: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2024.123149

[4] Fallahzadeh R., Aref L., Bozzoli F., et al. A novel triple-diameter pulsating heat pipe: flow regimes and heat transfer performance. Therm. Sci. Eng. Prog., 2023, vol. 42, art. 101902. DOI: https://doi.org/10.1016/j.tsep.2023.101902

[5] Plotnikov L. The influence of longitudinal duct profiling on unsteady gas dynamics and the heat transfer of pulsating gas flows in the outlet system of reciprocating-engine. Therm. Sci. Eng. Prog., 2024, vol. 55, art. 102977. DOI: https://doi.org/10.1016/j.tsep.2024.102977

[6] Yang L., Jia X., Qi H., et al. Fast algorithm for calculating the pressure pulsation in a reciprocating compressor system with stepless capacity regulation. Proc. Inst. Mech. Eng., Part E: J. Process Mech. Eng., 2019, vol. 233, no. 6, pp. 1280--1291. DOI: https://doi.org/10.1177/0954408919866602

[7] Молочников В.М., Михеев А.Н., Аслаев А.К. и др. Теплоотдача пучка труб в пульсирующем потоке. Теплофизика и аэромеханика, 2019, т. 26, № 4, с. 591--603. EDN: KCDSLS

[8] Brahma I., Singh S. Experimental, numerical and deep learning modeling study of heat transfer in turbulent pulsating pipe flow. Appl. Therm. Eng., 2024, vol. 244, art. 122685. DOI: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2024.122685

[9] Дееб Р. Численный анализ влияния относительного продольного и поперечного шагов на характеристики потока шахматного пучка труб каплевидной формы. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2023, № 1 (106), с. 95--116. DOI: https://doi.org/10.18698/1812-3368-2023-1-95-116

[10] Попов И.А., Жукова Ю.В., Баранова Т.А. и др. Теплоотдача и гидравлические потери пучков труб с нанесенными на их поверхность генераторами вихрей. ИФЖ, 2023, т. 96, № 6, с. 1586--1602. EDN: PWFSLN

[11] Duan D., Cheng Yu., Ge M., et al. Experimental and numerical study on heat transfer enhancement by flow-induced vibration in pulsating flow. Appl. Therm. Eng., 2022, vol. 207, art. 118171. DOI: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2022.118171

[12] Кадыров Р.Г., Попов И.А., Жукова Ю.В. и др. Экспериментальное исследование теплогидравлических характеристик поперечно обтекаемых пучков труб с поверхностными генераторами вихрей. Тепловые процессы в технике, 2022, т. 14, № 6, с. 243--254. DOI: https://doi.org/10.34759/tpt-2022-14-6-243-254

[13] Wang Ch.Sh., Chen Ch.Ch., Chang W.Ch., et al. Experimental studies of turbulent pulsating flow and heat transfer in a serpentine channel with winglike turbulators. Int. Commun. Heat Mass Transf., 2022, vol. 131, art. 105837. DOI: https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2021.105837

[14] Давлетшин И.А., Душин Н.С., Душина О.А. и др. Теплоотдача и гидравлическое сопротивление плоского канала с дискретной шероховатостью стенки в виде наклонных траншейных лунок. Теплофизика и аэромеханика, 2023, т. 30, № 4, с. 669--674. EDN: GEIMSQ

[15] Исаев С.А., Никущенко Д.В., Михеев Н.И. и др. Местное ускорение ламинарного потока и аномальная интенсификация теплообмена в канале с двумя рядами наклонных канавок. ТВТ, 2024, т. 62, № 4, с. 524--535. EDN: JYMJVL

[16] Рис В.В., Галаев С.А., Левченя А.М. и др. Численное исследование развитого турбулентного течения и теплоотдачи в канале прямоугольного сечения с односторонним внутренним оребрением. Теплоэнергетика, 2024, № 2, с. 80--89. DOI: https://doi.org/10.56304/S0040363624020085

[17] Nikitin N. Wall friction and heat transfer in turbulent pulsating flow in a square duct. Int. J. Therm. Sci., 2024, vol. 196, art. 108679. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2023.108679

[18] Guo G., Kamigaki M., Inoue Y., et al. Experimental study and conjugate heat transfer simulation of pulsating flow in straight and 90° curved square pipes. Energies, 2021, vol. 14, no. 13, art. 3953. DOI: https://doi.org/10.3390/en14133953

[19] Blythman R., Alimohammadi S., Jeffers N., et al. Heat transfer analysis of laminar pulsating flow in a rectangular channel using infrared thermography. J. Heat Transfer, 2022, vol. 144, no. 1, art. 011801. DOI: https://doi.org/10.1115/1.4052686

[20] Chen L., Zhang H., Huang S., et al. Numerical study on structure optimization and heat transfer characteristic of distributed pulsating flow heat exchanger. Energy Sources A: Recovery Util. Environ. Eff., 2022, vol. 44, no. 3,pp. 7080--7094. DOI: https://doi.org/10.1080/15567036.2022.2105989

[21] Ye Q., Zhang Y., Wei J. A comprehensive review of pulsating flow on heat transfer enhancement. Appl. Therm. Eng., 2021, vol. 196, art. 117275. DOI: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2021.117275

[22] Essarroukh I., Lopez J.M. Convective heat transfer in uniformly accelerated and decelerated turbulent pipe flows. Mathematics, 2024, vol. 12, no. 22, art. 3560. DOI: https://doi.org/10.3390/math12223560

[23] Супельняк М.И. Стабилизированная нестационарная теплоотдача в канале с циклически изменяющимся во времени граничным режимом на его поверхности. ИФЖ, 2022, т. 95, № 3, с. 623--639. EDN: LZTHJM

[24] Plotnikov L., Plotnikov I., Osipov L., et al. An indirect method for determining the local heat transfer coefficient of gas flows in pipelines. Sensors, 2022, vol. 22, no. 17, art. 6395. DOI: https://doi.org/10.3390/s22176395

[25] Plotnikov L.V. Experimental research into the methods for controlling the thermal-mechanical characteristics of pulsating gas flows in the intake system of a turbocharged engine model. Int. J. Engine Res., 2022, vol. 23, no. 2, pp. 334--344. DOI: https://doi.org/10.1177/1468087420987360

[26] Щукин А.В., Ильинков А.В., Такмовцев В.В. и др. Эффективность тепловой завесы при вдуве пульсирующего потока воздуха (обзор). Теплоэнергетика, 2023, № 9, с. 5--17. DOI: https://doi.org/10.56304/S0040363623090060

[27] 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). Int. J. Heat Mass Transfer, 2024, vol. 233, art. 126041. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2024.126041

[28] Terekhov V.I. Heat transfer in highly turbulent separated flows: a review. Energies, 2021, vol. 14, art. 1005. DOI: https://doi.org/10.3390/en14041005