Местное ускорение ламинарного потока и аномальная интенсификация теплообмена в канале с двумя рядами наклонных канавок

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Проведено экспериментальное и численное исследование аномальной интенсификации ламинарного отрывного течения и теплообмена в канале с двумя рядами из 26 плотно расположенных канавок под углом наклона ±135° при равномерном потоке на входе и изменении чисел Re от 1000 до 5500. Обоснованы локальное ускорение потока с достижением максимальной скорости порядка 1.8 и утончение пристеночного слоя с ростом продольной скорости, доходящей до величины 1.4 на расстоянии y = 0.005 от стенки при Re = 2500, над входными сферическими сегментами канавок. Установлена корреляция ускорения и аномальной интенсификации ламинарного отрывного течения и теплообмена. Отмечено, что при Re = 2500 минимальная величина относительного отрицательного трения доходит до –7, а относительная теплоотдача от структурированного участка канала при Re = 5500 достигает 4.6.

Full Text

Restricted Access

About the authors

С. А. Исаев

Санкт-Петербургский государственный морской технический университет; Санкт-Петербургский государственный университет гражданской авиации им. Главного Маршала авиации А.А. Новикова

Author for correspondence.
Email: isaev3612@yandex.ru
Russian Federation, Санкт-Петербург; Санкт-Петербург

Д. В. Никущенко

Санкт-Петербургский государственный морской технический университет

Email: isaev3612@yandex.ru
Russian Federation, Санкт-Петербург

Н. И. Михеев

ФИЦ КазНЦ РАН

Email: isaev3612@yandex.ru
Russian Federation, Казань

Н. С. Душин

ФИЦ КазНЦ РАН

Email: isaev3612@yandex.ru
Russian Federation, Казань

О. О. Мильман

ЗАО НПВП Турбокон

Email: isaev3612@yandex.ru
Russian Federation, Калуга

А. А. Клюс

Санкт-Петербургский государственный университет гражданской авиации им. Главного Маршала авиации А.А. Новикова

Email: isaev3612@yandex.ru
Russian Federation, Санкт-Петербург

Е. А. Осиюк

Санкт-Петербургский государственный университет гражданской авиации им. Главного Маршала авиации А.А. Новикова

Email: isaev3612@yandex.ru
Russian Federation, Санкт-Петербург

References

  1. Gao J., Hu Z., Yang Q., Liang X., Wu H. Fluid Flow and Heat Transfer in Microchannel Heat Sinks: Modelling Review and Recent Progress // Therm. Sci. Eng. Progress. 2022. V. 29. P. 101203.
  2. Мильман О.О., Ананьев П.А. Сухие градирни и воздушно-конденсационные установки (обзор) // Теплоэнергетика. 2016. Т. 63. № 3. С. 3.
  3. Kalinin E.K., Dreitser G.A., Kopp I.Z., Myakotchin A.S. Efficient Surfaces for Heat Exchangers: Fundamental and Design. Begell House, 2002. 392 p.
  4. Dzyubenko B., Kuzma-Kichta Yu., Leontiev A., Fedik I., Kholpanov L. Intensification of Heat and Mass Transfer on Macro-, Micro-, and Nanoscales. Begell House, 2016. 630 p.
  5. Rashidi S., Hormozi F., Sunden B., Mahian O. Energy Saving in Thermal Energy Systems Using Dimpled Surface Technology – A Review on Mechanisms and Applications // Appl. Energy. 2019. V. 259. P. 1491.
  6. Wei X.J., Joshi Y.K., Ligrani P.M. Numerical Simulation of Laminar Flow and Heat Transfer Inside a Microchannel with One Dimpled Surface // J. Electronic Packaging. 2007. V. 129. P. 63.
  7. Xu M., Lu H., Gong L., Chai J.C., Duan X. Parametric Numerical Study of the Flow and Heat Transfer in Microchannel with Dimples // Int. Commun. Heat Mass Transfer. 2016. V. 76. P. 348.
  8. Park D.S. Experimental and Numerical Study of Laminar Forced Convection Heat Transfer for a Dimpled Heat Sink. Thesis of Master of Science. Texas A&M University, 2007. 60 p.
  9. Bi C., Tang G.H., Tao W.Q. Heat Transfer Enhancement in Mini-channel Heat Sinks with Dimples and Cylindrical Grooves // Appl. Therm. Engng. 2013. V. 55. P. 121.
  10. Lu G., Zhai X. Analysis on Heat Transfer and Pressure Drop of a Microchannel Heat Sink with Dimples and Vortex Generators // Int. J. Therm. Sci. 2019. V. 145. P. 105986.
  11. Исаев С.А., Леонтьев А.И., Митяков А.В., Пышный И.А. Интенсификация смерчевого турбулентного теплообмена в асимметричных лунках на плоской стенке // ИФЖ. 2003. Т. 76. № 2. С. 31.
  12. Isaev S.A., Schelchkov A.V., Leontiev A.I., Gortyshov Yu.F., Baranov P.A., Popov I.A. Tornado-like Heat Transfer Enhancement in the Narrow Plane-parallel Channel with the Oval-trench Dimple of Fixed Depth and Spot Area // Int. J. Heat Mass Transfer. 2017. V. 109. P. 40.
  13. Isaev S.A., Leonardi E., Timchenko V., Usachov A.E. Vortical Investigation of Heat Transfer in Microchannels with Oval Dimples // Heat Transfer Res. 2010. V. 41. № 4. P. 413.
  14. Исаев С.А., Леонтьев А.И., Готовский М.А., Усачов А.Е., Жукова Ю.В. Анализ повышения теплогидравлической эффективности при движении трансформаторного масла в миниканале с однорядным пакетом сферических и овальных лунок на нагретой стенке // ТВТ. 2013. Т. 51. № 6. С. 884.
  15. Исаев С.А., Леонтьев А.И., Корнев Н.В., Хассель Э., Чудновский Я.П. Интенсификация теплообмена при ламинарном и турбулентном течении в узком канале с однорядными овальными лунками // ТВТ. 2015. Т. 53. № 3. С. 390.
  16. Исаев С.А., Грицкевич М.С., Леонтьев А.И., Попов И.А., Судаков А.Г. Аномальная интенсификация турбулентного отрывного течения в наклоненных однорядных овально-траншейных лунках на стенке узкого канала // ТВТ. 2019. Т. 57. № 5. С. 797.
  17. Исаев С.А., Баранов П.А., Леонтьев А.И., Попов И.А. Интенсификация ламинарного течения в узком микроканале с однорядными наклоненными овально-траншейными лунками // Письма в ЖТФ. 2018. Т. 44. Вып. 9. С. 73.
  18. Исаев С.А., Леонтьев А.И., Мильман О.О., Судаков А.Г., Усачов А.Е., Гульцова М.Е. Интенсификация теплообмена при ламинарном вихревом течении воздуха в узком канале с однорядными наклоненными овальными лунками // ИФЖ. 2018. Т. 91. № 4. С. 1022.
  19. Isaev S.A., Leontiev A.I., Milman O.O., Popov I.A., Sudakov A.G. Influence of the Depth of Single Row Oval-trench Dimples Inclined to Laminar Air Flow on Heat Transfer Enhancement in a Narrow Micro-channel // Int. J. Heat Mass Transfer. 2019. V. 134. P. 338.
  20. Исаев С.А., Леонтьев А.И., Мильман О.О., Никущенко Д.В., Попов И.А. Энергоэффективные поверхности с многорядными наклонными овально-траншейными лунками для воздушных конденсаторов // Энергетика. 2020. № 4. С. 3.
  21. Исаев С.А. Генезис аномальной интенсификации отрывного течения и теплообмена в наклонных канавках на структурированных поверхностях // МЖГ. 2022. № 5. С. 13.
  22. Михеев Н.И., Душин Н.С. Метод измерения динамики векторных полей скорости турбулентного потока по видеосъемке дымовой визуализации // ПТЭ. 2016. № 6. С. 1.
  23. Isaev S.A., Gritckevich M.S., Leontiev A.I., Milman O.O., Nikushchenko D.V. Vortex Enhancement of Heat Transfer and Flow in the Narrow Channel with a Dense Packing of Inclined One-row Oval-trench Dimples // Int. J. Heat Mass Transfer. 2019. V. 145. 118737.
  24. Исаев С.А., Баранов П.А., Усачов А.Е. Многоблочные вычислительные технологии в пакете VP2/3 по аэротермодинамике. Саарбрюкен: LAP Lambert Acad. Publ., 2013. 316 с.
  25. Van Doormaal J.P., Raithby G.D. Enhancement of the SIMPLE Method for Predicting Incompressible Fluid Flow // Numerical Heat Transfer. 1984. V. 7. № 2. P. 147.
  26. Rhie C.M., Chow W.L. A Numerical Study of the Turbulent Flow Past an Isolated Airfoil with Trailing Edge Separation // AIAA J. 1983. V. 21. P. 1525.
  27. Pascau A., Garcia N. Consistency of SIMPLEC Scheme in Collocated Grids // Proc. V European Conf. on Computational Fluid Dynamics ECCOMAS CFD 2010. Lisbon, Portugal, 2010. 12 p.
  28. Leonard B.P. A Stable and Accurate Convective Modeling Procedure Based on Quadratic Upstream Interpolation // Comp. Meth. Appl. Mech. Eng. 1979. V. 19. № 1. P. 59.
  29. Saad Y. Iterative Methods for Sparse Linear Systems. 2nd ed. Society for Industrial and Applied Mathematics. Philadelphia, 2003. 567 p.
  30. Demidov D. AMGCL: C++ Library for Solving Large Sparse Linear Systems with Algebraic Multigrid Method. http://amgcl.readthedocs.org/
  31. Исаев С.А., Гувернюк С.В., Никущенко Д.В., Судаков А.Г., Синявин А.А., Дубко Е.Б. Взаимосвязь аномальной интенсификации отрывного течения и экстраординарных перепадов давления в канавке на пластине при изменении угла наклона от 0 до 90° // Письма в ЖТФ. 2023. Т. 49. Вып. 15. С. 39.
  32. Isaev S.A., Kornev N.V., Leontiev A.I., Hassel E. Influence of the Reynolds Number and the Spherical Dimple Depth on the Turbulent Heat Transfer and Hydraulic Loss in a Narrow Channel // Int. J. Heat Mass Transfer. 2010. V. 53. № 1–3. P. 178.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Experimental stand of KazNC RAS (a), structured channel surface with dimensions in mm (b), digital analog (c) and calculated grid (d).

Download (214KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Comparison of calculated forecasts (solid lines) and experimental measurements (dots) of the profiles of the longitudinal velocity component U in the centers of the transition sections from the trench in the centers of the inlet (R) and outlet (L) spherical segments, as well as in the center of the 22nd groove (C); dashed line – velocity profile a fully developed flow in a plane-parallel channel; the insert shows the vector field of the longitudinal component of the velocity U in the section y = 0.05 at Re = 1000.

Download (146KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Comparison of calculated profiles of the longitudinal velocity component U in the channel flow core in the middle of the 22nd groove (point C) at x = 55.5 for various Reynolds numbers: (a) - Re = = 1000, (b) - 1500, (c) – 2000, (d) - 2500, (l) - 3500, (e) – 4500, (w) – 5500.

Download (349KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. The effect of Re on the longitudinal distributions of relative friction f / fpl (a)–(d) and the static pressure drop P–Ppl (e), (e) in the section z = -3.245, shown in different sections of the channel: 1 – Re = 1000, 2 – 1500, 3 – 2000, 4 – 2500.

Download (452KB)
Indexing metadata
6. 5. Velocity distributions U in the longitudinal section of the channel z = -3.245, illustrating the local acceleration of the flow in the core as it moves away from the entrance section and passes through the centers of the junction sections of spherical segments and cylindrical trenches R, at Re = 1000 (a), 2500 (b), 5500 (c) and various: 1 – y = 0.005, 2 – 015, 3 – 0.025, 4 – 0.05, 5 – 0.1, 6 – 0.4, 7 – 0.6, 8 – 0.95.

Download (319KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. The effect of Re on the acceleration of the flow in the channel when comparing the longitudinal distributions of the U-component of the velocity at y = 0.005 in the section with the coordinate of the point R (see Fig. 3), z = -3.245 (a)–(b) and transverse distributions in the region of the 22nd groove at x = 55.5 and y = 0.4 (d): 1 – Re = 1000, 2 – 1500, 3 – 2000, 4 – 2500, 5 – 3500, 6 – 4500, 7 – 5500.

Download (397KB)
Indexing metadata
8. 7. The influence of the Reynolds number on the extreme values of the longitudinal, vertical and transversal velocity components: 1 – Umax, 2 – (– Umin), 3 – Vmax, 4 – ( –Vmin), 5 – Wmax.

Download (92KB)
Indexing metadata
9. Figure 8. The effect of Re on the longitudinal distribution Nu / Nupl(x) in section z = -3.245: 1 – Re = 1000, 2 – 1500, 3 – 2000, 4 – 2500.

Download (127KB)
Indexing metadata
10. Fig. 9. Dependences of the Nusselt numbers Num/Numpl(x) averaged over the transverse bands (a), plotted on various scales, and the Nusselt numbers Num/Numpl(z) averaged over the longitudinal bands (b) as they move away from the input section with increasing Re: 1 – Re = 1000, 2 – 1500, 3 – 2000, 4 – 2500.

Download (180KB)
Indexing metadata
11. 10. The effect of Re on an increase in the relative heat transfer of Numm / Nummpl (1) on the structured channel wall and an increase in relative hydraulic losses ζ / ζpl (2) in the channel.

Download (71KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences