Численное исследование интенсификации теплообмена шахматного пучка труб при различных режимных параметрах вынужденных пульсаций потока
А.Р. Хайруллин, А.И. Хайбуллина, Е.Р. Киржацких
Вестник ИГЭУ, 2026 г. выпуск 1, сс. 21—29
Скачать PDF
Состояние вопроса. Доля теплообменного оборудования в составе промышленных установок является значительной, поэтому эффективность работы теплообменных аппаратов влияет на технико-экономические показатели промышленных установок в целом. Повышение эффективности теплообменного оборудования возможно за счет применения различных методов интенсификации теплообмена, например за счет вынужденных пульсаций потока, которые относятся к активным методам интенсификации теплообмена. Несмотря на имеющиеся положительные результаты в данной области, закономерности теплообмена в условиях вынужденных пульсаций потока исследованы недостаточно.
Материалы и методы. Исследование закономерностей теплообмена в пучке труб проведено численно, с помощью Ansys Fluent. Дискретизация уравнений Навье–Стокса и конвективного теплообмена (Фурье–Кирхгофа) проведено методом конечных объемов. Валидация численной модели осуществлена по известному критериальному уравнению для прогнозирования теплоотдачи в пучках труб при условиях стационарного течения.
Результаты. По результатам численного моделирования установлено влияние режимных параметров на теплообмен шахматного пучка труб при симметричных и несимметричных вынужденных возвратно-поступательных пульсациях потока. Показано, что с увеличением произведения безразмерной амплитуды и числа Струхаля Sh, характеризующего интенсивность пульсаций, происходит увеличение числа Нуссельта Nu независимо от числа Рейнольдса Re и числа Прандтля Pr. Установлено, что число Nu в пульсационном течении увеличивается с ростом Re и Pr, при этом их влияние на прирост Nu в пульсационном течении по сравнению со стационарным течением незначительно. В ходе численного исследования получена максимальная интенсификация теплообмена в 1,8 раза. Показано, что скважность пульсаций оказывает незначительное влияние на теплообмен, при этом теплогидравлическая эффективность пучка труб увеличивается при несимметричных пульсациях. Получены обобщающие зависимости для предсказания теплоотдачи в шахматном пучке труб при пульсациях потока.
Выводы. Результаты исследования направлены на повышение эффективности трубчатых теплообменных аппаратов за счет использования пульсационных методов интенсификации теплообмена.
1. Zukauskas A. Heat Transfer from Tubes in Crossflow // Adv. Heat Transf. - 1972. - Vol. 18. - P. 87–159.
2. Experimental investigation and analysis on the cross flow characteristics over inline tube bundles with S/D=1,875 / X. Xie, A. Ma, H. Zhao, et al. // International Journal of Heat and Mass Transfer. - 2023. - Vol. 203. - P. 123800.
3. Seroshtanov V., Gusakov A. Gradient Heatmetry and PIV Investigation of Heat Transfer and Flow near Circular Cylinders // Inventions. – 2022. - Vol. 7, No. 3. - P. 80.
4. Experimental study of the in-line tube bundle thermal performance in pulsating flow / A. Hayrullin, A. Haibullina, A. Sinyavin, V. Ilyin // International Journal of Heat and Mass Transfer. - 2024. - Vol. 232. - P. 125916.
5. Local Heat Transfer Dynamics in the In-Line Tube Bundle under Asymmetrical Pulsating Flow / A. Haibullina, A. Hayrullin, D. Balzamov, et al. // Energies. - 2022. – Vol. 15, No. 22. - P. 8660.
6. 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.
7. Ghazanfarian J., Taghilou B. Active Heat Transfer Augmentation of Bundle of Tubes by Partial Oscillatory Excitation // Journal of Thermophysics and Heat Transfe. - 2018. – Vol. 32, No. 3. - P. 590–604.
8. 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.
9. Pathak M.G., Ghiaasiaan S.M. Thermal Dispersion and Convection Heat Transfer during Laminar Transient Flow in Porous Media // International Journal of Thermal Sciences. - 2011. – Vol. 50. - P. 440–448.
10. Numerical study on the heat transfer characteristics of oscillating flow in cryogenic regenerators / S. Chen, Q. Huang, M. Liang, et al. // Cryogenics. - 2018. – Vol. 96. - P. 99–107.
11. Effect of pulsation parameters on the spatial and temporal variation of flow and heat transfer characteristics in liquid metal cross flow the in-line tube bundle / H. Jiang, Y. Niu, P. Yang, Y. Liu // International Journal of Heat and Mass Transfer. - 2024. - Vol. 219. - P. 124871.
12. Akcay S., Akdag U. Numerical Analysis of Thermal and Hydraulic Performance of Pulsating Nanofluid Flow Over Cam-Shaped Tube Bundles // Iran J Sci Technol Trans Mech Eng. - 2023. - Vol. 47, No. 3. - P. 969–988.
13. A comparative experimental study on the performance of staggered tube-bundle heat exchanger with unequally-pitch and equally-pitch arrangement in oscillating flow / Z. Wu, S. You, H. Zhang, W. Zheng // International Journal of Heat and Mass Transfer. - 2020. - Vol. 154. - P. 119680.
14. Experimental investigation on heat transfer characteristics of staggered tube bundle heat exchanger immersed in oscillating flow / Z. Wu, S. You, H. Zhang, W. Zheng // International Journal of Heat and Mass Transfer. - 2020. - Vol. 148. - P. 119125.
15. Heat transfer of a tube bundle in a pulsating flow: 4 / V.M. Molochnikov, A.N. Mikheev, A.K. Aslaev, et al. // Thermophys. Aeromech. - 2019. - Vol. 26, No. 4. – P. 547–559.
16. 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.
17. Konstantinidis E., Castiglia D., Balabani S. An experimental study of steady and pulsating cross-flow over a semi-staggered tube bundle // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science. - 2005. - Vol. 219, No. 3. - P. 283–298.
18. 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.
19. Konstantinidis E., Balabani S., Yianneskis M. Phase-Average Mean Flow and Turbulence Structure in a Staggered Cylinder Array Subjected to Pulsating Cross-Flow // Journal of Fluids Engineering. - 2004. - Vol. 126, No. 3. - P. 323–336.
20. Bergles A.E., Bunn R.L., Junkhan G.H. Extended performance evaluation criteria for enhanced heat transfer surfaces // Letters in Heat and Mass Transfer. - 1974. - Vol. 1, No. 2. - P. 113–120.
21. Energy efficiency of pulsating flows at heat-transfer enhancement in a shell-and-tube water oil cooler / A. Haibullina, L.S. Sabitov, A. Hayrullin, V.K. Ilyin // IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. – 2018. – Vol. 412. – P. 012026.
22. Федоткин И.М., Фирисюк В.Р. Интенсификация теплообмена в аппаратах химических производств. – Киев: Техника, 1971. – 216 с.
23. Колчин С.А. Гидравлическое сопротивление дискретно-шероховатого канала при наложенных пульсациях потока: дис. … канд. техн. наук: 01.02.05, 01.04.14. – Казань, 2015. –126 с.