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"10.29235/1561-8358-2022-67-3-298-306vestift-754Research ArticleЭНЕРГЕТИКА, ТЕПЛО- И МАССООБМЕНPOWER ENGINEERING, HEAT AND MASS TRANSFERЧисленное исследование теплообмена и аэродинамического сопротивления аппаратов воздушного охлаждения с вытяжной шахтойNumerical simulation of heat transfer and hydraulic losses of air-cooled exhaust-shaft apparatuseshttps://orcid.org/0000-0003-4635-6144МаршаловаГ. С.MarshalovaG. S.

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

ул. П. Бровки, 15, 220072, Минск; ул. Свердлова, 13а, 220006,Минск

Galina S. Marshalova – Ph. D. (Engineering), ScientificResearcher of the Laboratory of Turbulence,; Assistant of the Department

15, P. Brovka Str., 220072, Minsk;13a, Sverdlov Str., 220006, Minsk

galiana.sidorik@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-4413-8904БарановаТ. А.BaranovaT. A.

Баранова Татьяна Анатольевна – научный сотрудник лаборатории турбулентности,

ул. П. Бровки, 15, 220072, Минск

Tatiana A. Baranova – Researcher of the Laboratory ofTurbulence

15, P. Brovka Str., 220072, Minsk

bartat@tut.byhttps://orcid.org/0000-0003-1219-6373ЖуковаЮ. В.ZhukovaYu. V.

Жукова Юлия Владимировна – кандидат физико-математических наук, доцент, ведущий научный сотрудник лаборатории турбулентности

ул. П. Бровки, 15, 220072, Минск

Yulia V. Zhukova – Ph. D. (Physics and Mathematics),Associate Professor

15, P. Brovka Str., 220072, Minsk

julia_zhukova@rambler.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4716-6123ЧорныйА. Д.ChornyA. D.

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

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

anchor74@rambler.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5503-7471СухоцкийА. Б.SukhotskyA. B.

Сухоцкий Альберт Борисович – кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры энергосбережения, гидравлики и теплотехники

ул. Свердлова, 13а, 220006, Минск

 

Al’bert B. Sukhotskii – Ph. D. (Engineering), AssociateProfessor

13a, Sverdlov Str., 220006, Minsk

alk2905@mail.ruДанильчикЕ. С.Danil’chikE. S.

Данильчик Екатерина Сергеевна – ассистент кафедры энергосбережения, гидравлики и теплотехники; младший научный сотрудник лаборатории турбулентности

ул. Свердлова, 13а, 220006, Минск; ул. П. Бровки, 15, 220072, Минск

Ekaterina S. Danil’chik – Junior Researcher; Junior Scientific Researcher of the Laboratory of Turbulence

13a, Sverdlov Str., 220006, Minsk; 15, P. Brovka Str., 220072, Minsk

katya.156.156@gmail.comМироновА. А.MironovA. A.

Миронов Александр Александрович – инженер

ул. К. Маркса, 10, 420111, Казань

Aleksandr A. Mironov – Engineer

10, K. Marx Str., 420111, Kazan

alexcander1993@mail.ruКадыровР. А.KаdyrovR. G.

Кадыров Руслан Газинурович – аспирант

ул. К. Маркса, 10, 420111, Казань

 

Ruslan G. Kadyrov – Postgraduate Student

10, K. Marx Str., 420111, Kazan

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

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

ул. К. Маркса, 10, 420111

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

10, K. Marx Str., 420111, Kazan

popov-igor-alex@yandex.ruИнститут тепло- и массообмена имени А.В. Лыкова Национальной академии наук Беларуси; Белорусский государственный технологический университетA. V. Luikov Heat and Mass Transfer Institute of 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 National Academy of Sciences of BelarusБелорусский государственный технологический университетBelarusian State Technological UniversityКазанский национальный исследовательский технический университет имени А.Н. Туполева – КАИKazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev – KАI202208102022673298306Copyright © Маршалова Г.С., Баранова Т.А., Жукова Ю.В., Чорный А.Д., Сухоцкий А.Б., Данильчик Е.С., Миронов А.А., Кадыров Р.А., Попов И.А., 20222022Маршалова Г.С., Баранова Т.А., Жукова Ю.В., Чорный А.Д., Сухоцкий А.Б., Данильчик Е.С., Миронов А.А., Кадыров Р.А., Попов И.А.Marshalova G.S., Baranova T.A., Zhukova Y.V., Chorny A.D., Sukhotsky A.B., Danil’chik E.S., Mironov A.A., Kаdyrov R.G., Popov I.A.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/754

Представлены результаты численного исследования теплоаэродинамических характеристик аппаратов воздушного охлаждения с установленной вытяжной шахтой. Исследования проведены для аппаратов воздушного охлаждения с четырехрядными пучками оребренных труб, установленных в шахматном порядке. Численное моделирование осуществлялось с использованием газодинамического решателя Ansys Fluent. Для замыкания уравнений Рейнольдса применялись κ-ω модели переноса сдвиговых напряжений Ментера. Полученные численные результаты позволили визуализировать течение воздуха в пучке и вытяжной шахте, установить неравномерность скоростей и температур. Показано, что распределение температуры в потоке, проходящем через вытяжную шахту, зависит от высоты вытяжной шахты. Установлено, что при малых высотах шахты в следе за пучком из-за колебательного движения следа формируется динамическая и температурная неоднородность, которая приводит к подсосу холодного воздуха через шахту из окружающей среды. При увеличении высоты шахты температурная неоднородность сдвигается вверх по ходу воздуха в шахте, и неустойчивость затухает. Получено, что максимальная теплоотдача при одинаковых гидравлических потерях достигается при установке шахты с высотой H > 1,16 м. Полученные результаты могут быть использованы для модернизации существующих аппаратов воздушного охлаждения, а также при проектировании новых аппаратов с вытяжной шахтой.

The article presents the numerical simulation results on heat transfer and hydraulic losses of air-cooled exhaust-shaft apparatuses. Studies were made on air-cooled apparatuses in which four-row bundles of staggered finned tubes were placed. Numerical simulation used a gas dynamic solver Ansys Fluent. Menter’s shear stress transport κ-ω model was invited to close the Reynolds equations. The obtained numerical results allowed us to visualize air flow in the bundle and the exhaust shaft, as well as to establish an inhomogeneous distribution of velocities and temperatures. We found that the temperature distribution in the flow passing through the exhaust shaft depends on the height of the exhaust shaft. We also established that at small shaft heights in the wake behind a bundle because of the wake oscillatory motion, the dynamic and temperature inhomogeneous distributions take place, resulting in the cold air suction through the shaft from the environment. With an increase in the shaft height, the inhomogeneous temperature distribution moves upstream the air flow in the shaft and the inhomogeneous temperature distribution attenuates. We can say that maximum heat transfer at the same hydraulic losses is achieved when mounting a shaft with a height of H > 1.16 m. The results obtained can be used for the modernization of existing air-cooled apparatus, as well as for the design of new devices with an exhaust shaft.

аппарат воздушного охлаждениявытяжная шахтысвободная конвекциячисленное моделированиемодель переноса сдвиговых напряжений Ментерачисло Нуссельтачисло Эйлераair-cooled apparatusfree convectionnumerical simulationMenter’s shear stress transport modelNusselt numberEuler numberReferencesОсновы расчета и проектирования теплообменников воздушного охлаждения: справочник / А.Н. Бессонный [и др.]; под ред. А.Н. Бессонного, В.Б. Кунтыша. – СПб.: Недра, 1996. – 512 с.Bessonnyi A. N., Kuntysh V. B., eds. Basics of Calculation and Design of Air Cooling Heat Exchangers. St. Petersburg, Nedra Publ., 1996. 512 p. (in Russian).Королев, И.И. О комбинированных системах охлаждения ТЭЦ / И.И. Королев, Е.В. Генова, С.Е. Бенклян // Теплоэнергетика. – 1996. – №11. – C. 49–55.Korolev I. I., Genova E. V., Benklyan S.E. On combined CHPP cooling systems. Teploenergetika= Thermal Power Engineering, 1996, no. 11, pp. 49–55 (in Russian).Численное моделирование вихревой интенсификации теплообмена в пакетах труб / Ю.А. Быстров [и др.]. – СПб.: Судостроение, 2005. – 392 с.Bystrov Ju. A., Isaev S. A., Kudryavtsev N. A., Leont’ev A.I. Numerical Modeling of Vortex Intensification of Heat Transfer in Tube Bundles. St. Petersburg, Sudostroenie Publ., 2005. 392 p. (in Russian).Combined air-cooled condenser layout with in line configured fiined tube bundles to improve cooling performance / Y.Q. Kong [et al.] // Appl. Therm. Eng. – 2019. – Vol. 154. – P. 505–518. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2019.03.099Kong Y., Wang W., Zuo Z., Yang L., Du X., Yang Y. Combined air-cooled condenser layout with in line configured fiined tube bundles to improve cooling performance. Applied Thermal Engineering, 2019, vol. 154, pp. 505–518. https://doi. org/10.1016/j.applthermaleng.2019.03.099Теплоотдача естественной конвекцией одиночного ряда вертикальных оребренных труб калориферов лесосушильных камер / В.Б. Кунтыш [и др.] // Лесн. журн. – 2002. – №2. – С. 116–121.Kuntysh V. B., Pozdnyakova A. V., Melehov V.I. Heat transfer by natural convection of a single row of vertical finned pipes of heaters of drying chambers. Lesnoi zhurnal = Russian Forestry Journal, 2002, no. 2, pp. 116–121 (in Russian).Зорин, В.М. Атомные электростанции: учеб. пособие / В.М. Зорин. – М.: Изд. дом МЭИ, 2012. – 672 с.Zorin V.M. Nuclear Power Plants. Moscow, MEI Publ., 2012. 672 p. (in Russian).Инженерный метод теплового расчета аппарата воздушного охлаждения в режиме свободно-конвективного теплообмена / В.Б. Кутыш [и др.] // Хим. и нефтегаз. машиностроение. – 2013. – №12. – С. 3–6.Kuntysh V. B., Samorodov A. V., Sukhotskii A.B. Engineering method of thermal calculation of the air cooling apparatus in the mode of free-convective heat exchange. Khimicheskoe i neftegazovoe mashinostroenie= Chemical and Petroleum Engineering, 2013, no. 12, pp. 3–6 (in Russian).Самородов, А.В. Совершенствование методики теплового расчета и проектирования аппаратов воздушного охлаждения с шахматными оребренными пучками: дис. … канд. техн. наук / А.В. Самородов. – Архангельск, 1999. – 176 л.Samorodov A.V. Improving the Methods of Thermal Calculation and Design of Air Cooling Devices with Checkerboard Finned Bundles. Arkhangelsk, 1999. 176 p. (in Russian).Cheng, T.S. Characteristics of mixed convection heat transfer in a lid-driven square cavity with various Richardson and Prandtl numbers / T.S. Cheng // Int. J. Therm. Sci. – 2011. – Vol. 50, №2. – P. 197–205. http://dx.doi.org/10.1016/j. ijthermalsci.2010.09.012Cheng T.S. Characteristics of mixed convection heat transfer in a lid-driven square cavity with various Richardson and Prandtl numbers. International Journal of Thermal Sciences, 2011, vol. 50, no. 2, pp. 197–205. http://dx.doi.org/10.1016/j. ijthermalsci.2010.09.012Мартыненко, О.Г. Теплообмен смешанной конвекцией / О.Г. Мартыненко, Ю.А. Соковишин. – Минск: Наука и техника, 1975. – 256 с.Martynenko O. G., Sokovishin Yu. A. Heat Exchange by Mixed Convection. Minsk, Nauka i tekhnika Publ., 1975. 256 p. (in Russian). 11. Mil’man O.O. Experimental study of heat exchange during natural air circulation in the model of an air condenser with an exhaust shaft. Teploenergetika = Thermal Engineering, 2005, no. 5, pp. 16–19 (in Russian).Мильман, О.О. Экспериментальное исследование теплообмена при естественной циркуляции воздуха в модели воздушного конденсатора с вытяжной шахтой / О.О. Мильман // Теплоэнергетика. – 2005. – №5. – С. 16–19.Vasil’ev Yu. N., Margolin G.A. Cooling Systems of Compressor and Oil Pumping Stations. Moscow, Nedra Publ., 1977. 222 p. (in Russian).Васильев, Ю.Н. Системы охлаждения компрессорных и нефтеперекачивающих станций / Ю.Н. Васильев, Г.А. Марголин. – М.: Недра, 1977. – 222 с.Gabdrakhmanov A.A. Improvement of the Efficiency of the Equipment for Air Cooling Apparatus on the Main Conductors. Ufa, 2007. 24 p. (in Russian).Габдрахманов, А.А. Повышение эффективности эксплуатации аппаратов воздушного охлаждения на магистральных газопроводах: автореф. дис. … канд. техн. наук / А.А. Габдрахманов; Уфим. гос. нефт. техн. ун-т. – Уфа, 2007. – 24 с.Kumar A., Joshi J. B., Nayak A. K., Vijayan P. K. 3D CFD simulations of air cooled condenser-II: Natural draft around a single finned tube kept in a small chimney. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2016, vol. 92, pp. 507– 522. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2015.07.1363D CFD simulations of air cooled condenser-II: Natural draft around a single finned tube kept in a small chimney / A. Kumar [et al.] // Int. J. Heat Mass Transfer. – 2016. – Vol. 92. – P. 507–522. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2015.07.136Marshalova G.S. Thermal Desing and Making of Air-Cooled Exhaust Shaft Apparatus. Minsk, 2019. 153 p. (in Russian)Маршалова, Г.С. Тепловой расчет и проектирование аппаратов воздушного охлаждения с вытяжной шахтой: дис. … канд. техн. наук / Г.С. Маршалова. – Минск, 2019. – 153 л.Marshalova G. S., Sukhotskii A. B., Kuntysh V.B. Enhancing Energy Saving in Air Cooling Devices by Intensifying External Heat Transfer. Khimicheskoe i neftegazovoe mashinostroenie = Chemical and Petroleum Engineering, 2020, no. 2, pp. 3–7 (in Russian).Маршалова, Г.С. Повышение энергосбережения в аппаратах воздушного охлаждения интенсификацией внешнего теплообмена / Г.С. Маршалова, А.Б. Сухоцкий, В.Б. Кунтыш // Хим. и нефтегаз. машиностроение. – 2020. – №2. – С. 3–7.Marshalova G. S., Sukhotskii A.B. Aerodynamic drag at small Reynolds numbers and the method of calculation of the air velocity in one- and many-row finned beams with an exhaust shaft. Vestsі Natsyianal’nai akademіі navuk Belarusі. Seryia fіzіka-matematychnykh navuk = Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physics and Mathematics series, 2021, vol. 57, no. 1, pp. 108–118 (in Russian). https://doi.org/10.29235/1561-2430-2021-57-1-108-118Маршалова, Г.С. Аэродинамическое сопротивление при малых числах Рейнольдса и методика расчета скорости воздуха в одно- и многорядных оребренных пучках с вытяжной шахтой / Г.С. Маршалова, А.Б. Сухоцкий // Вес. Нац. акад. навук Беларусі. Сер. фіз.-мат. навук. – 2021. – Т. 57, №1. – С. 108–118. https://doi.org/10.29235/1561-2430- 2021-57-1-108-118Durbin P. A., Pettersson-Reif B.A. Statistical Theory and Modeling for Turbulent Flows. Willey, 2001. 367 p.Durbin, P.A. Statistical Theory and Modeling for Turbulent Flows / P.A. Durbin, B.A. Pettersson-Reif. – Willey, 2001. – 367 p.ANSYS Fluent Theory Guide. Release 15.0 (2013). Available at: http://www.pmt.usp.br/academic/martoran/notasmodelosgrad/ANSYS%20Fluent%20Theory%20Guide%2015.pdf (accessed 16 April 2022).ANSYS Fluent Theory Guide. Release 15.0 [Electronic resource]. – 2013. – Mode of access: http://www.pmt.usp. br/academic/martoran/notasmodelosgrad/ANSYS%20Fluent%20Theory%20Guide%2015.pdf – Date of access: 16.04.2022.Menter F. R., Kuntz M., Langtry R. Ten years of industrial experience with the SST turbulence model. Turbulence. Heat and Mass Transfer, 2003, vol. 4, pp. 625–632.Menter, F.R. Ten years of industrial experience with the SST turbulence model / F.R. Menter, M. Kuntz, R. Langtry // Turbulence. Heat and Mass Transfer. – 2003. – Vol. 4. – P. 625–632.Alam Md. Mahbub, Moriya M., Sakamoto H. Aerodynamic characteristics of two side-by-side circular cylinders and application of wavelet analysis on the switching phenomenon. Journal of Fluids and Structures, 2003, vol. 18, no. 3–4, pp. 325–346. https://doi.org/10.1016/j.jfluidstructs.2003.07.005Alam, Md. Mahbub. Aerodynamic characteristics of two side-by-side circular cylinders and application of wavelet analysis on the switching phenomenon / Md. Mahbub Alam, M. Moriya, H. Sakamoto // J. Fluids and Structures. – 2003. – Vol. 18, №3–4. – P. 325–346. https://doi.org/10.1016/j.jfluidstructs.2003.07.005Alam Md. Mahbub, Zhou Y. Flow around two side-by-side closely spaced circular cylinders. Journal of Fluids and Structures, 2007, vol. 23, no. 5, pp. 799–805. https://doi.org/10.1016/j.jfluidstructs.2006.12.002Alam, Md. Mahbub. Flow around two side-by-side closely spaced circular cylinders / Md. Mahbub Alam, Y. Zhou // J. Fluids and Structures. – 2007. – Vol. 23, №5. – P. 799–805. https://doi.org/10.1016/j.jfluidstructs.2006.12.002Zhukova Yu. V., Terekh A. M., Rudenko A.I. Convective heat transfer and drag of two side-by-side tubes in the narrow channel at different Reynolds number. Doklady Natsional’noi akademii nauk Belarusi = Doklady of the National Academy of Sciences of Belarus, 2018, vol. 62, no. 6, pp. 756–762 (in Russian).Жукова, Ю.В. Конвективный теплообмен и аэродинамическое сопротивление двух расположенных бок о бок труб в узком канале при различных числах Рейнольдса / Ю.В. Жукова, A.М. Терех, A.И. Руденко // Докл. Нац. акад. наук Беларуси. – 2018. – Т. 62, №6. – С. 756–762.Жукова, Ю.В. Конвективный теплообмен и аэродинамическое сопротивление двух расположенных бок о бок труб в узком канале при различных числах Рейнольдса / Ю.В. Жукова, A.М. Терех, A.И. Руденко // Докл. Нац. акад. наук Беларуси. – 2018. – Т. 62, №6. – С. 756–762.

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