Исследование неизотермического течения в U-образной трубке при наличии свободной конвекции

Аннотация

Исследовано влияние естественной конвекции на процесс формирования термоэлектрокинетического эффекта в водных растворах ионных соединений. Рассчитаны поля температуры и скоростей жидкости в U-образной трубке, которая нагревается снизу при наличии свободной и принудительной конвекции. Модель основана на нестационарных уравнениях Навье --- Стокса в приближении Буссинеска, уравнении теплопроводности и условии неразрывности, дополненных краевыми условиями для принудительной и свободной конвекции. Решение получено методом конечных элементов с квадратичной аппроксимацией скорости и линейной аппроксимацией давления и температуры. Проведен численный анализ распределения полей температуры и скорости при фиксированной скорости потока. Определены структура течений в коленах U-образной трубки, их пространственная локализация и количественные характеристики. Результаты демонстрируют асимметричное распределение температуры в коленах трубки и локализацию резкого температурного градиента во входном колене, обусловленные взаимодействием свободной и принудительной конвекции. Усредненные и интегральные характеристики температурного поля, полученные численным расчетом, согласуются с экспериментальными результатами, что свидетельствует об адекватности используемой модели. Полученная модель будет уточняться и обобщаться для моделирования термоэлектромагнитных явлений, возникающих в результате процессов самоорганизации, обусловленных свободной конвекцией в вязких электропроводящих средах

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Сидоров А.В., Грабов В.М., Зайцев А.А. и др. Исследование неизотермического течения в U-образной трубке при наличии свободной конвекции. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2026, № 3 (126), с. 53--72. EDN: LDXYRF

Литература

[1] Джалурия Й. Естественная конвекция: тепло- и массообмен. М., Мир, 1983.

[2] Bejan A. Convection heat transfer. Wiley, 2013.

[3] Ahlers G., Grossmann S., Lohse D. Heat transfer and large-scale dynamics in turbulent Rayleigh --- Benard convection. Rev. Mod. Phys., 2009, vol. 81, iss. 2, pp. 503--537. DOI: https://doi.org/10.1103/RevModPhys.81.503

[4] Getling A.V. Formation of spatial structures in Rayleigh --- Benard convection. Sov. Phys. Usp., 1991, vol. 34, no. 9, pp. 737--776. DOI: https://doi.org/10.1070/PU1991v034n09ABEH002470

[5] Miroshnichenko I., Sheremet M., Chamkha A.J. Turbulent natural convection combined with surface thermal radiation in a square cavity with local heater. Int. J. Numer. Methods Heat Fluid Flow, 2018, vol. 28, no. 7, pp. 1698--1715. DOI: https://doi.org/10.1108/HFF-03-2018-0089

[6] Chen H.T., Hsu L.Y., Liu H.H., et al. Novel experimental-numerical study on inverse heat transfer by free convection and conduction for diamond-arranged tubes in a hot box. J. Therm. Anal. Calorim., 2024, vol. 149, iss. 22, pp. 13013--13030. DOI: https://doi.org/10.1007/s10973-024-13496-8

[7] Sheremet M.A., Pop I. Natural convection in a wavy porous cavity with sinusoidal temperature distributions on both side walls filled with a nanofluid: Buongiorno’s mathematical model. J. Heat Transfer., 2015, vol. 137, no. 7, art. 072601. DOI: https://doi.org/10.1115/1.4029816

[8] Jahanbakhshi A., Nadooshan A.A., Bayareh M. Magnetic field effects on natural convection flow of a non-Newtonian fluid in an L-shaped enclosure. J. Therm. Anal. Calorim., 2018, vol. 133, iss. 3, pp. 1407--1416. DOI: https://doi.org/10.1007/s10973-018-7219-6

[9] Грабов В.М., Зайцев А.А., Кузнецов Д.В. и др. Термоэлектрокинетический эффект в слабых водных растворах электролитов. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2008, № 3 (30), с. 112--123. EDN: KBADWD

[10] Grabov V.M., Zaitsev A.A., Kuznetsov D.V., et al. Thermoelectric and thermoelectrokinetic phenomena in liquid biological systems. Tech. Phys., 2018, vol. 63, iss. 10, pp. 1415--1419. DOI: https://doi.org/10.1134/S1063784218100122

[11] Sidorov A.V., Grabov V.M., Zaitsev A.A., et al. Thermoelectric and thermoelectrokinetic phenomena in colloidal solutions. Semiconductors, 2019, vol. 53, no. 6, pp. 756--760. DOI: https://doi.org/10.1134/S1063782619060228

[12] Грабов В.М., Зайцев А.А., Кузнецов Д.В. Физическое моделирование электромагнитных процессов в конвективной зоне Солнца. Солнечная и солнечно-земная физика. Тез. Всерос. ежегод. конф. по физике Солнца. СПб., ГАО РАН, 2012, с. 44--45.

[13] Sidorov A.V., Grabov V.M., Zaitsev A.A., et al. Thermoelectrokinetic effect in colloidal solutions of tanin under conditions of suppressed natural convection. 6th REEPE, 2024. DOI: https://doi.org/10.1109/REEPE60449.2024.10479697

[14] Сидоров А.В., Грабов В.М., Зайцев А.А. и др. Закономерности термоэлектрокинетического эффекта в коллоидном растворе танина при подавлении естественной конвекции. Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Физико-математические науки, 2024, № 3, с. 146--159. DOI: https://doi.org/10.21685/2072-3040-2024-3-10

[15] Madani Sani F., Nesic S. A critical review of models for density, viscosity, and diffusivity in aqueous sodium chloride solutions. Electrochim. Acta, 2024, vol. 477, art. 143766. DOI: https://doi.org/10.1016/j.electacta.2024.143766

[16] Темам Р. Уравнения Навье --- Стокса. М., Мир, 1981.

[17] Reddy J.N., Gartling D.K. The finite element method in heat transfer and fluid dynamics. CRC Press, 2010.

[18] Zienkiewicz O.C., Taylor R.L. The finite element method. Elsevier, 2005.

[19] Varga R.S. Matrix iterative analysis. Springer, 2009.

[20] Khalilov R., Kolesnichenko I., Pavlinov A., et al. Thermal convection of liquid sodium in inclined cylinders. Phys. Rev. Fluids, 2018, vol. 3, iss. 4, art. 043503. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevFluids.3.043503

[21] Zwirner L., Khalilov R., Kolesnichenko I., et al. The influence of the cell inclination on the heat transport and large-scale circulation in liquid metal convection. J. Fluid Mech., 2020, vol. 884, art. A18. DOI: https://doi.org/10.1017/jfm.2019.935