Численное исследование теплообмена в коридорном пучке труб в условиях пульсирующего потока жидкости
А.И. Хайбуллина, А.Р. Хайруллин
Вестник ИГЭУ, 2019 г. выпуск 4, сс. 12—21
Скачать PDF
Состояние вопроса. Трубчатые теплообменные аппараты широко применяются в различных отраслях промышленности. Даже небольшое повышение эффективности кожухотрубных аппаратов может привести к значительному энергосбережению. Одним из способов повышения эффективности работы кожухотрубных аппаратов является применение пульсаций потока для интенсификации теплообмена. Несмотря на то, что теплообмен при поперечном обтекании пучков труб в стационарных условиях хорошо изучен, теплообмен в условиях пульсаций потока исследован ограниченно, поэтому раскрытие его закономерностей остается актуальной задачей.
Материалы и методы. Течение несжимаемой жидкости описано системой уравнений Навье-Стокса, осредненных по методу Рейнольдса, и уравнением неразрывности. Теплоперенос описан уравнением конвективного теплообмена (Фурье-Кирхгофа). Численное исследование выполнено в Ansys Fluent.
Результаты. Проведено численное исследование влияния вынужденных несимметричных пульсаций на теплообмен при поперечном обтекании коридорного пучка труб. При проведении численного эксперимента число Рейнольдса Re находилось в диапазоне от 1000 до 2000, относительная амплитуда пульсаций A/D – от 1 до 2, число Струхаля Sh – от 0,77 до 1,51, число Прандтля и скважность пульсаций имели фиксированные значения Pr = 7,2, y = 0,25. Относительный поперечный и продольный шаг составлял s1,2/D = 1,3. Установлено, что пульсации потока приводят к интенсификации теплообмена во всем исследованном диапазоне режимных параметров. С увеличением A/D и Sh происходит повышение числа Нуссельта Nu. При увеличении числа Re наблюдается снижение отношения числа Nu при пульсационном и стационарном течении.
Выводы. Обобщающая зависимость, полученная по результатам численного исследования, может быть использована для прогнозирования теплоотдачи при пульсационном течении в диапазоне исследованных геометрических и режимных параметров. Для прогнозирования теплоотдачи в более широком диапазоне режимных параметров и с отличными конфигурациями пучков труб необходимы дополнительные исследования.
1. Zdravkovich M.M. Flow Around Circular Cylinders. – Oxford University Press, 1997. – 612 c.
2. Жукаускас А., Жюгжда И. Теплоотдача цилиндра в поперечном потоке жидкости. – Вильнюс: Изд-во «Мокслас», 1979. – 240 с.
3. Жукаускас А., Макарявичюс В., Шланчяускас А. Теплоотдача пучков труб в поперечном потоке жидкости. – Вильнюс: Изд-во «Мокслас», 1968. – 192 с.
4. Жукаускас А., Улинскас Р., Катинас В. Гидродинамика и вибрация обтекаемых пучков труб. – Вильнюс: Изд-во «Мокслас»,1984. – 312 с.
5. Dorogi D., Baranyi L. Numerical simulation of a freely vibrating circular cylinder with different natural frequencies // Ocean Engineering. – 2018. – Vol. 158. – P. 196–207. doi: 10.1016/j.oceaneng.2018.03.079
6. Numerical simulation of viscous flow past an oscillating square cylinder using a CIP-based model / Ying-nan Fu, Xi-zeng Zhao, Fei-feng Cao, Da-ke Zhang, Du Cheng, Li Li // Journal of Hydrodynamics. – 2017. – Vol. 29, no. 1. – P. 96–108. doi: 10.1016/s1001-6058(16)60721-7.
7. Gnatowska R. Numerical analysis of oscillating flow around a cylinder // Journal of Applied Mathematics and Computational Mechanics. – 2014. – Vol. 13, no. 3. – P. 59–66. doi: 10.17512/jamcm.2014.3.07.
8. Управление отрывным турбулентным потоком при помощи высокочастотных вращательных колебаний при Re = 1,4´105 / Е.В. Палкин, Р.И. Мулляджанов, Х. Мухамед, Х. Кемал // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2016. – Т. 327, № 9. – С. 88–94.
9. Experimental Study of the Heat Transfer Enhancement from a Circular Cylinder in Laminar Pulsating Cross-flows / Guoneng Li, Youqu Zheng, Guilin Hu, Zhiguo Zhang, Yousheng Xu // Heat Transfer Engineering. – 2016. – Vol. 37, no. 6. – P. 535–544. doi: 10.1080/01457632.2015. 1060758.
10. Papadakis G., Bergeles G. Numerical simulation of the flow and heat transfer around a cylinder with a pulsating approaching flow at a low Reynolds number // Proc Inst Mech Eng. – 2001. – Vol. 215. – P. 105–119. doi: 10.1243/ 0954406011520463
11. Experimental Study of the Heat Transfer Enhancement from a Circular Cylinder in Laminar Pulsating Cross-flows / G. Li, Y. Zheng, G. Hu, Z. Zhang, Y. Xu // Heat Transfer Engineering. – 2015. – Vol. 37, no. 6. – P. 535–544. doi: 10.1080/01457632.2015.1060758
12. Liang C., Papadakis G. Study of the Effect of Flow Pulsation on the Flow Field and Heat Transfer Over an Inline Cylinder Array Using LES // Engineering Turbulence Modelling and Experiments. – 2005. – Vol. 6. – P. 813–822. doi: 10.1016/b978-008044544-1/50078-9.
13. Konstantinidis E., Balabani S., Yianneskis M. Relationship Between Vortex Shedding Lock-On and Heat Transfer. Chemical // Engineering Research and Design. – 2003. – Vol. 81, no. 6. – P. 695–699. doi: 10.1205/ 026387603322150543.
14. Попов И.А., Махянов Х.М., Гуреев В.М. Физические основы и промышленное применение интенсификации теплообмена. Интенсификация теплообмена / под общ. ред. Ю.Ф. Гортышова. – Казань: Центр инновационных технологий, 2009. – 560 с.
15. Gundappa M., Diller T.E. The effects of free stream turbulence and flow pulsation on heat transfer from a cylinder in cross-flow // J. Heat Transfer. – 1991. – Vol. 113, no. 3. – P. 766–769. doi:10.1115/1.2910630.
16. Cheng C.-H., Hong J.-L., Aung W. Numerical prediction of lock-on effect on convective heat transfer from a transversely oscillating circular cylinder // International Journal of Heat and Mass Transfer. – 1997. – Vol. 40, no. 8. – P. 1825–1834. doi: 10.1016/s0017-9310(96) 00255-4
17. Park H.G., Gharib M. Experimental Study of Heat Convection From Stationary and Oscillating Circular Cylinder in Cross Flow // Journal of Heat Transfer. – 2001. – Vol. 123, no. 51. – P. 51–62. doi: 10.1115/1.1338137.
18. Ji T.H., Kim S.Y., Hyun J.M. Experiments on heat transfer enhancement from a heated square cylinder in a pulsating channel flow // International Journal of Heat and Mass Transfer. – 2008. – Vol. 51, no. 5–6. – P. 1130–1138. doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2007.04.01.
19. Мусаева Д.А., Синявин А.А., Гурьянов А.И. Математическое моделирование процессов теплообмена при поперечном обтекании цилиндра в условиях низкочастотных несимметричных пульсаций потока жидкости // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. – 2012. – № 7–8. – С. 19–27.
20. Bhalla N., Dhiman A.K. Pulsating flow and heat transfer analysis around a heated semi-circular cylinder at low and moderate Reynolds numbers // Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering. – 2017. – Vol. 39, no. 8. – P. 3019–3037. doi: 10.1007/s40430-017-0749-1.
21. Energy efficiency of pulsating flows at heat-transfer enhancement in a shell-and-tube water oil cooler / A.I. Haibullina, L.S. Sabitov, A.R. Hayrullin, V.K. lyin // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering «International Scientific-Technical Conference on Innovative Engineering Technologies, Equipment and Materials 2017, ISTC-IETEM 2017». – 2018. – Vol. 412, no. 1. – P. 1–6.
22. External heat transfer in corridor and staggered tube bundles of different configuration under the application of low-frequency pulsations / V.K. lyin, L.S. Sabitov, A.I. Haibullina, A.R. Hayrullin // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering Сер. «International Scientific-Technical Conference on Innovative Engineering Technologies, Equipment and Materials 2016, ISTC-IETEM 2016». – 2017. – Vol. 240, no. 1. – P. 1–10.
23. Хайбуллина А.И., Ильин В.К. Экспериментальное исследование внешней теплоотдачи при поперечном обтекании корридорного пучка труб при Re ≤ 500 с наложением на поток низкочастотных несимметричных пульсаций // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. – 2014. – № 1–2. – С. 11–19.
24. Исследование теплоотдачи в коридорном пучке труб при наложении на поток противоточных несимметричных низкочастотных пульсаций / А.И. Хайбуллина, А.Р. Хайруллин, А.А. Синявин, В.К. Ильин // Современная наука: исследования, идеи, результаты, технологии. – 2013. – Т. 12, № 1. – С. 312–315.
25. Снегирёв А.Ю. Высокопроизводительные вычисления в технической физике. Численное моделирование турбулентных течений. – СПб.: Изд-во Политехнический университет, 2009. – 143 с.
26. Weaver D.S., Lian H.Y., Huang X.Y. Vortex Shedding In Rotated Square Arrays // Journal of Fluids and Structures. – 1993. – Vol. 7, no. 2. – P. 107–121. doi:10.1006/jfls.1993.1009.
27. Weaver D.S., Fitzpatrick J.A., Elkashlan M. Strouhal numbers for heat-exchanger tube arrays in cross flow // Journal of Pressure Vessel Technology. – 1987. – Vol. 109, no. 2. – P. 219–223.