Детальная информация

В работе проводится численное исследование ламинарного свободноконвективного течения воздуха и теплообмена около горизонтальных оребренных труб при значениях числа Грасгофа от 0.49∙10^5 до 5.24∙10^5. Моделирование осуществляется на основе решения системы уравнений Навье-Стокса и уравнения энергии. Задача решалась в сопряженной постановке: для расчета поля температуры в алюминиевом ребре использовалось уравнение теплопроводности. Расчеты выполнены в программном пакете ANSYS Fluent. Для всех вариантов расчета получено стационарное сошедшееся решение. Проведено исследование чувствительности решения к изменению размерности расчетной сетки, а также расстояния до боковой границы расчетной области. Для варианта задачи с коэффициентом оребрения равным φ = 21 полученные в расчетах значения теплоотдачи хорошо согласуются с имеющимися экспериментальными данными Маршаловой Г.С. 2019 года в рассмотренном диапазоне чисел Грасгофа. Проведено параметрическое исследование влияния расстояния между ребрами, целью которого является увеличение эффективности теплообмена. С увеличением межреберного расстояния (значения φ при этом изменяются от 21 до 4.3) скорость потока существенно возрастает, при этом увеличивается теплоотдача от поверхности ребра и несущей трубы. По данным расчета определено оптимальное значение межреберного расстояния (φ = 9), при котором величина теплоотдачи на единицу длины максимальна. Выполнено исследование влияния формы ребра на течение и теплообмен. Изменение формы ребра от круговой до эллиптической позволяет увеличить площадь ребра, эффективно отдающую тепло. Получено, что для вариантов с минимальным межреберным расстоянием (максимальным коэффициентом оребрения) с уменьшением высоты ребра теплоотдача увеличивается на 25%, а для вариантов с оптимальным – на 18%.

The work involves a numerical study of laminar free convective air flow and heat transfer around horizontal finned tubes at Grashof numbers ranging from 0.49∙10^5 to 5.24∙10^5. The modeling is based on solving the Navier-Stokes equations and the energy equation. The problem was solved in a conjugate formulation: the heat conduction equation was used to calculate the temperature field in the aluminum fin. The calculations were performed using the ANSYS Fluent CFD Package. Steady-state converged solutions were obtained for all calculations. A sensitivity study of the solution to changes in the computational grid size and the distance to the lateral boundary of the computational domain was conducted. For the case with a finning factor φ = 21, the calculated Nu number values agree well with the available experimental data of G.S. Marshalova (2019) in the considered range of Grashof numbers. A parametric study of the influence of the distance between fins was conducted, aiming to increase heat transfer efficiency. For φ ranges from 21 to 4.3 the velocity values significantly increases inside the interfinned space that results to an increase in heat transfer from finned tube. The optimal fin spacing (φ = 9) was determined based on the calculations, where the heat transfer per unit length is maximal. A study of the influence of fin shape on flow structure and heat transfer was performed. Changing the fin shape from circular to elliptical increases the effective heat-dissipating area of the fin. It was found that for cases with minimal fin spacing (maximum finning factor), reducing the fin height increases Nu number values by 25%, and for optimal fin spacing cases, by 18%.