Экспериментальное исследование осциллирующего течения в трубном пучке
А.И. Хайбуллина, А.Р. Хайруллин, В.К. Ильин
Вестник ИГЭУ, 2023 г. выпуск 6, сс. 29—37
Скачать PDF
Состояние вопроса. Осциллирующие течения с возвратно поступательным потоком встречаются в различных инженерных приложениях. На сегодняшний день механизмы осциллирующих течений изучены недостаточно. Осциллирующие течения могут создаваться искусственно для повышения теплообменного оборудования за счет интенсификации теплообмена. В связи с этим представляет интерес исследование характеристик потока и теплообмена пучка труб при осциллирующем потоке.
Материалы и методы. Оценка теплообмена и гидродинамической картины течения в пучке при осцилляциях потока проведена на основе экспериментальных исследований. Осцилляции потока созданы с помощью пневматической системы, приводящей в действие пульсатор. Регистрация временной характеристики перепада давления пучка осуществлена с помощью осциллографа и передников давления. Для оценки динамики скорости потока использован метод скоростной съемки. Теплообмен пучка определен по затрачиваемой электрической мощности на поддержание постоянной температуры в трубном пространстве пучка.
Результаты. Впервые экспериментальным методом исследован теплообмен и гидродинамическая картина течения с несимметричными осцилляциями потока в коридорном пучке труб. Показано, что форма осцилляций скорости потока и перепада давления зависит от частоты. Установлено, что с ростом частоты происходит увеличение значений скорости потока и перепада давления. Определено, что для отдельных моментов времени скорость и перепад давления при несимметричных осцилляциях превосходят симметричные. Установлено увеличение теплового потока пучка с ростом частоты в 1,7 раза. Показано, что для интенсификации теплообмена несимметричные осцилляции эффективнее симметричных в среднем в 1,1 раза.
Выводы. Анализ полученных результатов показал возможность интенсификации теплообмена в пучке труб при применении осциллирующих течений. Таким образом, осциллирующие течения могут быть использованы для повышения эффективности теплообменного оборудования. Полученные результаты по гидродинамической картине течения могут использоваться при математическом моделировании осциллирующих течений в целях расширения режимных параметров исследования с определением наиболее эффективных.
1. Weaver D.S. A review of cross-flow induced vibrations in heat exchanger tube array // J. Fluids Struct. – 1988. – Vol. 2. – P. 73–93.
2. Unsteady Pressure Pulsations in Pumps – A Review / N. Zhang, D. Li, B. Gao, et al. // Energies. – 2022. – Vol. 16, No. 1. – P. 150.
3. Ibrahim K.A., Luk P., Luo Z. Cooling of Concentrated Photovoltaic Cells – A Review and the Perspective of Pulsating Flow Cooling // Energies. – 2023. – Vol. 16, No. 6. – P. 2842.
4. Zukauskas A. Heat Transfer from Tubes in Crossflow // Adv. Heat Transf. – 1972. – Vol. 18. – P. 87–159.
5. Nguyen Q.D., Lei C. A PIV study of blockage ratio effects on flow over a confined circular cylinder at low Reynolds numbers // Exp Fluids. – 2023. – Vol. 64, No. 1. – P. 10.
6. A critical review on pulsating flow in conventional fluids and nanofluids: Thermo-hydraulic characteristics / M. Hemmat Esfe, M. Bahiraei, A. Torabi, M. Valadkhani // International Communications in Heat and Mass Transfer. – 2021. – Vol. 120. – P. 104859.
7. Ye Q., Zhang Y., Wei J. A comprehensive review of pulsating flow on heat transfer enhancement // Applied Thermal Engineering. – 2021. – Vol. 196. – P. 117275.
8. Qamar A., Seda R., Bull J.L. Pulsatile flow past an oscillating cylinder // Physics of Fluids. – 2011. – Vol. 23, No. 4. – P. 041903.
9. Andraka C.E., Diller T.E. Heat-Transfer Distribution Around a Cylinder in Pulsating Crossflow // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. – 1985. – Vol. 107, No. 4. – P. 976–982.
10. Saxena A., Ng E.Y.K. Steady and Pulsating Flow Past a Heated Rectangular Cylinder(s) in a Channel // Journal of Thermophysics and Heat Transfer. – 2018. – Vol. 32, No. 2. – P. 401–413.
11. Martin E., Velazquez A., Valeije A. Heat transfer downstream of a 3D confined square cylinder under flow pulsation // Numerical Heat Transfer, Part A: Applications. – 2018. – Vol. 74, No. 12. – P. 1747–1769.
12. Heat transfer from a cylinder in pulsating cross-flow / V.M. Molochnikov, N.I. Mikheev, A.N. Mikheev, A.A. Paereliy // Thermophys. Aeromech. – 2017. – Vol. 24, No. 4. – P. 569–575.
13. Srivastava A., Dhiman A. Pulsatile flow and heat transfer of shear-thinning power-law fluids over a confined semi-circular cylinder // Eur. Phys. J. Plus. – 2019. – Vol. 134, No. 4. – P. 144.
14. Gau C., Wu S.X., Su H.S. Synchronization of Vortex Shedding and Heat Transfer Enhancement Over a Heated Cylinder Oscillating With Small Amplitude in Streamwise Direction // Journal of Heat Transfer. – 2001. – Vol. 123, No. 6. – P. 1139–1148.
15. Laminar convective heat transfer from a circular cylinder exposed to a low frequency zero-mean velocity oscillating flow / H. Iwai, T. Mambo, K. Nakabe, K. Suzuki // International Journal of Heat and Mass Transfer. – 2004. – Vol. 47, No. 21. – P. 4659–4672.
16. Experimental investigation on heat transfer characteristics of staggered tube bundle heat exchanger immersed in oscillating flow / Z. Wu, Sh. You, H. Zhang, W. Zheng // International Journal of Heat and Mass Transfer. – 2020. – Vol. 148. – P. 119125.
17. Heat transfer of a tube bundle in a pulsating flow / V.M. Molochnikov, A.N. Mikheev, A.K. Aslaev, et al. // Thermophys. Aeromech. – 2019. – Vol. 26, No. 4. – P. 547–559.
18. Flow structure between the tubes and heat transfer of a tube bundle in pulsating flow / V.M. Molochnikov, A.N. Mikheev, A.K. Aslaev, et al. // J. Phys.: Conf. Ser. – 2018. – Vol. 1105. – P. 012024.
19. Mulcahey T.I., Pathak M.G., Ghiaasiaan S.M. The effect of flow pulsation on drag and heat transfer in an array of heated square cylinders // International Journal of Thermal Sciences. – 2013. – Vol. 64. – P. 105–120.
20. Dellali E. Pressure drop analysis of oscillating flows through a miniature porous regenerator under isothermal and nonisothermal conditions // Experimental Thermal and Fluid Science. – 2019. – Vol. 103. – P. 394–405.
21. Leong K.C., Jin L.W. An experimental study of heat transfer in oscillating flow through a channel filled with an aluminum foam // International Journal of Heat and Mass Transfer. – 2005. – Vol. 48, No. 2. – P. 243–253.
22. Leong K.C., Jin L.W. Effect of oscillatory frequency on heat transfer in metal foam heat sinks of various pore densities // International Journal of Heat and Mass Transfer. – 2006. – Vol. 49, No. 3–4. – P. 671–681.
23. Thermal and hydraulic efficiency of the corridor tube bundle in conditions of pulsating flow of fluid / V.K. Ilyin, A.I. Haibullina, A.R. Hayrullin, L.S. Sabitov // IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. – 2017. – Vol. 240. – P. 012025.
24. Хайбуллина А.И., Хайруллин А.Р. Численное исследование теплообмена в коридорном пучке труб в условиях пульсирующего потока жидкости // Вестник ИГЭУ. – 2019. – Вып. 4. – С. 12–21.
25. Moffat R.J. Describing the uncertainties in experimental results // Experimental Thermal and Fluid Science. – 1988. – Vol. 1, No. 1. – P. 3–17.
26. Investigation of low-frequency-oscillating water flow in metal foam with 10 pores per inch / Ö. Bağcı, A. Arbak, M. De Paepe, N. Dukhan // Heat Mass Transfer. – 2018. – Vol. 54, No. 8. – P. 2343–2349.
27. Leong K.C., Jin L.W. Characteristics of oscillating flow through a channel filled with open-cell metal foam // International Journal of Heat and Fluid Flow. – 2006. – Vol. 27, No. 1. – P. 144–153.
28. Heat Transfer in 3D Laguerre–Voronoi Open-Cell Foams under Pulsating Flow / A. Hayrullin, A. Haibullina, A. Sinyavin, et al. // Energies. – 2022. – Vol. 15, No. 22. – P. 8660.