Настоящая работа посвящена исследованию течения и теплообмена в естественно-конвективном пограничном слое на вертикальной изотермической пластине, возмущаемом системой периодически расположенных цилиндрических выступов, оценке влияния на теплоотдачу величины периода рядов выступов и поиску наиболее выгодных условий с точки зрения интенсификации теплообмена. Впервые данная проблема исследуется с использованием «temporal»-подхода, суть которого заключается в моделировании развития течения во времени, а не в пространстве. В ходе работы было решено несколько задач: 1. Тестирование различных RANS-моделей турбулентности на задаче о естественной конвекции вдоль бесконечной нагретой пластины без препятствий, сравнение результатов с данными прямого численного моделирования. 2. Расчет трехмерного течения на пластине с выступами, ряды которых расположены на достаточном расстоянии друг от друга, чтобы след от обтекания предыдущего ряда не достигал следующего. 3. Варьирование периода рядов цилиндров с целью определения его влияния на теплоотдачу, сравнение удельного интегрального теплового потока на пластинах с выступами со случаем пластины без них. При наличии на пластине системы препятствий противоположно действие двух факторов, влияющих на тепловой поток от стенки: с одной стороны, выступы тормозят течение и, следовательно, ослабляют теплообмен, а с другой, они способствуют возникновению крупномасштабных вихревых структур, которые интенсифицируют теплоотдачу. Показано, что при некотором соотношении высоты препятствий и толщины пограничного слоя второй фактор превалирует, и в таком случае решетки цилиндрических выступов целесообразно использовать для лучшего охлаждения поверхностей.

This work is devoted to studying the flow and heat transfer in a naturally convective boundary layer on a vertical isothermal plate perturbed by a system of periodically arranged cylindrical ledges, assessing the effect of the period of rows on the heat transfer, and finding the most favorable conditions to heat transfer intensification. For the first time this problem is investigated using the “temporal” approach, the essence of which is to simulate the development of the flow not in space, but in time. Several tasks were solved: 1. Testing various RANS-models of turbulence in conditions of natural convection along an infinite heated plate without obstacles, comparing the results with direct numerical simulation data. 2. Calculation of 3-D flow on a plate with protrusions, the rows of which are located at an enough distance from each other so that the trace from the flow past the previous row does not reach the next. 3. Varying the period of the rows of cylinders in order to determine its effect on heat transfer, comparing the specific integral heat flux on the plates with projections with the case of the plate without them. In the case of ledges on the plate, there is a struggle between two factors affecting the heat flux: on the one hand, the ledges inhibit the flow and, therefore, reduce heat transfer, and on the other, they contribute to the emergence of large-scale vortex structures that intensify heat transfer. It is shown that for a certain ratio of the height of cylinders and the thickness of the boundary layer the second factor prevails, and in this case, it is advisable to use system of cylindrical ledges for better cooling of the surfaces.

• Введение
• Обзор литературы
• Глава I. Тестирование RANS-моделей турбулентности
  • 1. Математическая модель
  • 2. Модели турбулентности
  • 3. Постановка задачи
  • 4. Результаты расчетов и обсуждение
    • 4.1. Проверка расчетной сетки и сходимости по времени
    • 4.2. Влияние модели турбулентности на рост толщины пограничного слоя
    • 4.3. Профили скорости и температуры. Сравнение с результатами DNS
    • 4.4. Рейнольдсовы напряжения. Сравнение с результатами DNS
    • 4.5. Анализ трения и теплообмена. Сравнение с результатами DNS
• Глава II. Расчет трехмерного течения на пластине с цилиндрическими выступами
  • 1. Постановка задачи
  • 2. Анализ влияния на результат используемой модели турбулентности и шага по времени
    • 2.1. Эволюция трения и теплообмена
    • 2.3. Осредненные температуры и скорости. Толщины пограничного слоя
  • 3. Исследование влияния на течение периода рядов препятствий
    • 3.1. Сравнение полей физических величин
    • 3.2. Анализ эволюции трения и теплообмена
• Заключение
• Список литературы