vestiftИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series1561-83582524-244XThe Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8358-2020-65-2-215-223vestift-601Research ArticleЭНЕРГЕТИКА, ТЕПЛО- И МАССООБМЕНPOWER ENGINEERING, HEAT AND MASS TRANSFERОпределение рациональных компоновочных решений для аппарата воздушного охлаждения масла систем смазки компрессорных установок с использованием методов физического и численного моделированияUse of experimental and numerical simulation methods for rational design of the air cooling apparatus for lubrication systems of compressorsГуреевМ. В.GureevM. V.

Гуреев Михаил Викторович – научный сотрудник

ул. К. Маркса, 10, 420111, Казань

Mikhail V. Gureev – Research Associate

10, K. Marx Str., 420111, Kazan

gureev.mv@gmail.comХабибуллинИ. И.KhabibullinI. I.

Хабибуллин Ильмир Ильдарович – кандидат технических наук, ведущий инженер

ул. К. Маркса, 10, 420111, Казань

Сибирский тракт, 40, 420029, Казань 

Ilmir I. Khabibullin – Ph. D. (Engineering), Leading Engineer

10, K. Marx Str., 420111, Kazan

40, Siberian Tract, 420029, Kazan

rim3li490@mail.ruСкрыпникА. Н.SkrypnikA. N.

Скрыпник Артем Николаевич – аспирант, ассистент,

ул. К. Маркса, 10, 420111, Казань

Artyom N. Skrypnik – Postgraduate Student, Assistant

10, K. Marx Str., 420111, Kazan

anskrypnik@kai.ruМаршаловаГ. С.MarshalovaG. S.

Маршалова Галина Сергеевна – научный сотрудник лаборатории турбулентности; кандидат технических наук, ассистент

ул. П. Бровки 15, 220072, Минск 

ул. Свердлова, 13а, 220006, Минск

Galina S. Marshalova – Scientific Researcher, Laboratory of Turbulence; Ph. D. (Engineering), Junior Researcher

13a, Sverdlov Str., 220006, Minsk

15, P. Brovka Str., 220072, Minsk

https://orcid.org/0000-0002-1700-7896ПоповИ. А.PopovI. A.

Попов Игорь Александрович – член-корреспондент Академии наук Республики Татарстан, доктор технических наук, профессор

ул. К. Маркса, 10, 420111, Казань

Igor A. Popov – Corresponding Member of the Academy of Sciences of the Republic of Tatarstan, D. Sc. (Engineering), Professor

10, K. Marx Str., 420111, Kazan

popov-igor-alex@yandex.ruКадыровР. Г.KadyrovR. G.

Кадыров Руслан Газинурович – аспирант

ул. К. Маркса, 10, 420111, Казань

Ruslan G. Kadyrov – Postgraduate Student

10, K. Marx Str., 420111, Kazan

adres.krg@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-1229-8417ГуреевВ. М.GureevV. M.

Гуреев Виктор Михайлович – доктор технических наук, профессор

ул. К. Маркса, 10, 420111, Казань

Viktor M. Gureev – D. Sc. (Engineering), Professor

10, K. Marx Str., 420111, Kazan

viktor.gureev@kai.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4716-6123ЧорныйА. Д.ChornyA. D.

Чорный Андрей Дмитриевич – кандидат физико-математических наук, доцент, заведующий лабораторией турбулентности

ул. П. Бровки 15, 220072, Минск

Andrei D. Chorny – Ph. D. (Physics and Mathematics), Associate Professor, Head of the Laboratory of Turbulence

15, P. Brovka Str., 220072, Minsk

anchor@hmti.ac.byhttps://orcid.org/0000-0003-1219-6373ЖуковаЮ. В.ZhukovaY. V.

Жукова Юлия Владимировна – кандидат физикоматематических наук, доцент, ведущий научный сотрудник, лаборатория турбулентности

ул. П. Бровки 15, 220072, Минск

Yuliya V. Zhukova – Ph. D. (Physics and Mathematics), Associate Professor, Leading Researcher, Laboratory of Turbulence

15, P. Brovka Str., 220072, Minsk

julia_zhukova@rambler.ruКазанский национальный исследовательский технический университет имени А. Н. Туполева – КАИKazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev – KAIКазанский национальный исследовательский технический университет имени А. Н. Туполева – КАИ; АО «НИИтурбокомпрессор имени В.Б. Шнеппа»Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev – KAI; JSC “NIIturbokompressor named after V. B. Schnepp”Институт тепло- и массообмена имени А. В. Лыкова Национальной академии наук Беларуси; Белорусский государственный технологический университетA. V. Luikov Heat and Mass Transfer Institute of the National Academy of Sciences of Belarus; Belarusian State Technological UniversityИнститут тепло- и массообмена имени А. В. Лыкова Национальной академии наук БеларусиA. V. Luikov Heat and Mass Transfer Institute of the National Academy of Sciences of Belarus202007072020652215223Copyright © Гуреев М.В., Хабибуллин И.И., Скрыпник А.Н., Маршалова Г.С., Попов И.А., Кадыров Р.Г., Гуреев В.М., Чорный А.Д., Жукова Ю.В., 20202020Гуреев М.В., Хабибуллин И.И., Скрыпник А.Н., Маршалова Г.С., Попов И.А., Кадыров Р.Г., Гуреев В.М., Чорный А.Д., Жукова Ю.В.Gureev M.V., Khabibullin I.I., Skrypnik A.N., Marshalova G.S., Popov I.A., Kadyrov R.G., Gureev V.M., Chorny A.D., Zhukova Y.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestift.belnauka.by/jour/article/view/601

С помощью методов численного моделирования исследованы тепло- и гидравлические параметры аппаратов воздушного охлаждения масла (АВОМ) при изменении геометрии проточной части для снижения аэродинамического сопротивления воздушного тракта АВОМ и повышения эффективности охлаждения масла. Для этого на основе методов численного моделирования конвективного теплообмена разработана и апробирована методика расчетов, применимая к широкому классу теплообменных аппаратов, в том числе состоящих из секций оребренных плоских труб, полученных методом экструзии с последующей обработкой методом деформирующего резания. Отличительной особенностью методики является представление оребренной части теплопередающей поверхности в виде пористых вставок. Разработанная методика позволяет уменьшить требования к оборудованию для численного моделирования и снизить время расчетов. Результаты численного моделирования хорошо согласуются с результатами эксперимента; их анализ показывает, что тепловая мощность маслоохладителя вследствие выявленных конструктивных недостатков воздушного тракта АВОМ на 19 % меньше проектного значения. На основе численных исследований выработан ряд рекомендаций по дальнейшему совершенствованию компоновочных решений для аппарата воздушного охлаждения масла с целью повышения его тепловой эффективности и аэродинамического совершенства. В частности, предложено установить новые лопатки вентиляторов для повышения их производительности; изменить конструкцию выходного воздушного клапана (жалюзи), исключив перегородку, частично затеняющую проходное сечение нижнего вентилятора; изменить форму нижнего коллектора маслоохладителя с целью обеспечения равномерного профиля скорости на входе в охлаждающие секции. Перспективным техническим решением, приводящим к увеличению общей производительности маслоохладителя, может быть последовательная схема подключения теплообменных секций. Эффективность всех предложенных технических решений может быть оценена с помощью методов численного моделирования, без создания дорогостоящей пилотной установки.

The objective of the present work was to study heat and hydraulic parameters of an air cooling apparatus of oil (ACAO), whose geometry of its flow-through part is changed to decrease hydraulic losses in its air conduit and to increase the cooling efficiency of oil. Using numerical simulation methods of heat transfer, we have developed and tested the computational techniques applied in a wide class of heat exchange apparatuses, including those consisting of the sections of finned flat tubes manufactured by extrusion with subsequent deforming cutting. We have proposed to make a finned part of a heat-exchange surface in the form of porous inserts. This has allowed us to reduce numerical simulation equipment requirements and to decrease computational time. Predicted results well agree with experimental data; their analysis shows that the calculated value of thermal performance of the oil cooler due to the revealed construction drawbacks of the air conduit is by 19 % less than that of the designed one. Based on the results of the numerical simulation studies, a number of recommendations have been made how to improve the layout inside the air cooling apparatus for oil in order to enhance its thermal performance and aerodynamic quality. In particular, we have proposed to mount new fan blades to enhance its performance; to change the construction of the air outlet valve by taking away a baffle that partially overshadows the exit area of the bottom fan; to modify the shape of the bottom collector of the oil cooler in order to make a uniform velocity profile at the entrance of cooling sections. Connecting in series heat exchange sections may be a perspective engineering decision. The outcomes of all proposed engineering decisions can be assessed by numerical simulation methods that will allow us not to design expensive equipment.

аппарат воздушного охлаждениямаслоохладительгидравлические потерикоэффициент конвективного теплообменачисленное моделированиеair cooling apparatusoil coolanthydraulic lossesconvective heat transfer coefficientnumerical simulationReferencesПопов, И.А. Физические основы и промышленное применение интенсификации теплообмена: интенсификация теплообмена / И.А. Попов, Х.М. Махянов, В.М. Гуреев; под общ. ред. Ю.Ф. Гортышова. – Казань: Центр инновац. технологий, 2009. – 560 с.Popov I. A., Makhyanov Kh. M., Gureyev V. M. GortyshovYu. F. (ed.) Physical Basis and Industrial Application of Heat Transfer Enhancement: in ‘Heat Transfer Enhancement’. Kazan, Tsentr innovatsionnykh tekhnologii Publ., 2009. 560 p. (in Russian).Перспективные методы интенсификации теплообмена для теплоэнергетического оборудования / И. А. Попов [и др.] // Энергетика Татарстана. – 2011. – № 1. – С. 25–29.Popov I. А., Yakovlev А. B., Schelchkov А. V., Ryzhkov D. V., Obukhova L. А. Promising methods of heat transferen hancement for heat power equipment. Energetika Tatarstana [Energy of Tatarstan], 2011, no. 1, pp. 25–29 (in Russian).Экспериментальное исследование теплогидравлических характеристик оребренных плоских труб аппарата воздушного охлаждения масла / С.В. Тиунов [и др.] // Вестн. Казан. гос. техн. ун-та им. А.Н. Туполева. – 2019. – Т. 75, №3. – С. 10–15.Tiunov S. V., Skrypnik А. N., Marshalova G. S., Gureev V. М., Popov I. А. Experimental study of thermal-hydraulic performance of finned heat exchanger flat pipes for oil air-cooler. Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta imeni А. N. Tupoleva = Vestnik KGTU im. A.N.Tupoleva, 2019, vol. 75, no. 3, pp. 10–15 (in Russian).Скрыпник, А.Н. Экспериментальное исследование теплогидравлических характеристик оребренных плоских труб аппарата воздушного охлаждения масла / А. Н. Скрыпник // Труды XXIV Международной молодежной научной конференции «Туполевские чтения». – Казань: изд-во ИП А. Р. Сагиева. – 2019. – Т. 2. – С. 277–281.Skrypnik А. N. Experimental study of the thermohydraulic characteristics of finned flat tubes of an oil-air cooler. Trudy XXIV Mezhdunarodnoj molodozhnoj nauchnoj konferentsii“Tupolevskie chteniya”. T. 2[ Proceedings of the 24th International Youth Scientific Conference “Tupolevskie chteniya”. Vol. 2]. Kazan, 2019, pp. 277–281 (in Russian).Экспериментальное исследование характеристик оребренных плоских труб / Г.С. Маршалова [и др.] // Будущее машиностроения России: тр. 12-й Всерос. конф. молодых ученых и специалистов с междунар. участием. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019. – С. 532–536.Marshalova G. S., Popov I. A., Skrypnik A. N., Tiunov S. V. Experimental study of the characteristics of finned flat tubes. Budushcheye mashinostroyeniya Rossii: trudy 12-i Vserossiyskoi konferentsii molodykh uchenykh i spetsialistov s mezhdunarodnym uchastiyem [The Future of Russian Engineering: Proceedings of the 12th All-Russian Conference of Young Scientists and Specialists with International Participation]. Moscow, Bauman Publishing House, 2019, pp. 532–536 (in Russian).Якубович, А. И. К вопросу расчета поверхности охлаждения многорядных радиаторов тракторов «Беларус» / А. И. Якубович, В.Е. Тарасенко // Вестн. ГГТУ им. П.О. Сухого. – 2010. – № 2. – С. 49–58.Yakubovich A. I., Tarasenko V. E. On the issue of calculating the cooling surface of multi-row radiators of tractor “Belarus”. Vestnik GGTU imeni P. O. Sukhogo [Bulletin of the Sukhoi State Technical University of Gomel], 2010, no. 2, pp. 49–58 (in Russian).Маршалова, Г.С. Использование методов численного моделирования для расчета радиатора охлаждения транспортных средств / Г.С. Маршалова, Т.А. Баранова, А.Д. Чорный // Труды XXIV Международной молодежной научной конференции «Туполевские чтения». – Казань: изд-во ИП А. Р. Сагиева. – 2019. – Т. 2. – С. 252–256.Marshalova G. S., Baranova T. A., Chorny A. D. Using of numerical simulation methods to calculate the cooling radiator for vehicles. Trudy XXIV Mezhdunarodnoi molodozhnoi nauchnoi konferentsii“Tupolevskie chteniya”. T. 2 [Proceedings of the 24th International Youth Scientific Conference “Tupolevskie chteniya”. Vol. 2]. Kazan, 2019, pp. 252–256 (in Russian).Хабибуллин, И.И. Интенсификация тепломассообмена в аппаратах воздушного охлаждения / И.И. Хабибуллин, Р.М. Низамутдинов, Р.Г. Кадыров // Вестн. Казан. гос. техн. ун-та им. А.Н. Туполева. – 2018. – Т. 74, №4. – С. 55–60.Habibullin I. I., Nizamutdinov R. М., Kadyrov R. G. Heat and mass transfer enhancement in air coolers. Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta imeni А. N. Tupoleva [Vestnik KGTU im. A.N. Tupoleva], 2018, vol. 74, no. 4, pp. 55–60 (in Russian).Аппараты воздушного охлаждения масла для компрессорных установок. Повышение эффективности / Р. Г. Кадыров [и др.] // Компрессорная техника и пневматика. – 2019. – №1. – С. 35–42.Kadyrov R. G., Habibullin I. I., Nizamutdinov R. М., Paranin Yu. A. Oil-air coolers for compressors. Efficiency enhancement. Kompressornaya tehnika i pnevmatika = Compressors and Pneumatics, 2019, no. 1, pp. 35–42 (in Russian).Численное моделирование процессов теплообмена в аппарате воздушного охлаждения масла / И. И. Хабибуллин [и др.] // Газовая пром-сть. – 2019. – №2. – С. 84–90.Habibullin I. I., Nizamutdinov R. М., Kadyrov R. G., Nikolaenko I. V., Gureev M. V., Tiunov S. V.Numerical simulation of heat transfer processes in an oil-air cooler. Gazovaya promyshlennost’ = Gas Industry, 2019, no. 2, pp. 84–90 (in Russian).Экспериментальное исследование теплогидравлических характеристик оребренных плоских труб аппарата воздушного охлаждения масла / С.В. Тиунов [и др.] // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. – 2020. – Т. 63, №2. – С. 138–151. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2020-63-2-138-150Tiunov S. V., Skrypnik A. N., Marshalova G. S., Gureev V. M., Popov I. A., Kadyrov R. G., Chorny A. D., Zhukova Yu. V. Experimental study of the thermohydraulic characteristics of finned flat tubes of an oil-air cooler. Energetika. Proceedings of CIS higher education institutions and power engineering associations, 2020, vol. 63, no. 2, pp. 138–151 (in Russian). https://doi.org/10.21122/1029-7448-2020-63-2-138-150Menter, F.R. Zonal two equation k-w turbulence models for aerodynamic flows / F. R. Menter // 23rd Fluid Dynamics, Plasmadynamics, and Lasers Conference, 1993. – №2906. – P. 1–21. https://doi.org/10.2514/6.1993-2906.Menter F. R. Zonal two equation k-w turbulence models for aerodynamic flows. 23rd Fluid Dynamics, Plasmadynamics, and Lasers Conference, 1993, no. 2906, pp. 1–21. https://doi.org/10.2514/6.1993-2906

The authors declare that there are no conflicts of interest present.