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"10.29235/1561-8358-2024-69-4-297-306vestift-865Research ArticleЭНЕРГЕТИКА, ТЕПЛО- И МАССООБМЕНPOWER ENGINEERING, HEAT AND MASS TRANSFERИнтенсификация теплообмена в воздушном канале продольными вихрямиHeat transfer enhancement in air channel by longitudinal vortexeshttps://orcid.org/0000-0001-6674-203XЖдановВ. Л.ZhdanovV. L.

Жданов Валерий Львович – доктор технических наук, ведущий научный сотрудник 

ул. П. Бровки, 15, 220072, Минск

Valery L. Zhdanov – Dr. Sci. (Engineering), Leading Researcher 

15, P. Brovka Str., 220072, Minsk

valery.zhdanov@hmti.ac.byПустоходЕ. А.PustohodE. A.

Пустоход Егор Александрович – младший научный сотрудник

ул. П. Бровки, 15, 220072, Минск

Egor A. Pustohod – Junior Researcher

15, P. Brovka Str., 220072, Minsk

pustokhod@hmti.ac.byhttps://orcid.org/0000-0003-4716-6123ЧорныйА. Д.ChornyA. D.

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

ул. П. Бровки, 15, 220072, Минск

Andrei D. Chorny – Cand. Sci. (Physics and Mathematics), Head of the Laboratory

15, P. Brovka Str., 220072, Minsk

anchor@hmti.ac.byИнститут тепло- и массообмена имени А. В. Лыкова НАН БеларусиA. V. Luikov Heat and Mass Transfer Institute of the National Academy of Science of Belarus202409012025694297306Copyright © Жданов В.Л., Пустоход Е.А., Чорный А.Д., 20252025Жданов В.Л., Пустоход Е.А., Чорный А.Д.Zhdanov V.L., Pustohod E.A., Chorny A.D.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/865

Представлены результаты численного моделирования интенсификации теплообмена в канале прямоугольного сечения (0,005 × 0,031) м длиной 0,175 м. Нижняя поверхность канала равномерно нагревается до 343 К, а ее охлаждение осуществляется воздушным потоком при двух значениях расхода Q = 0,0010044 и 0,00209 м3/c и температуре 293 К. Интенсификация теплообмена совершается вихревыми генераторами (ВГ), расположенными на нагреваемой и противоположной ей поверхностях канала. Вихревые генераторы состоят из двух прямоугольных пластин (высота пластин h = 0,002 м, длина l = 0,015 м), установленных по нормали к поверхности и под углом атаки α = 15° к потоку. Нижние ВГ генерируют пары продольных вихрей, которые формируют за пластинами общие потоки, направленные к нагретой стенке, а верхние пары вихрей генерируют общие потоки, направленные от стенки к центру канала. Взаимодействие продольных вихрей и создаваемых ими вторичных потоков с основным потоком усиливает смешение внутри канала и теплообмен с поверхностями. Исследование выполнено методом RANS в интервале чисел Рейнольдса 1200–2600, рассчитанных по высоте вихревого генератора и скорости потока на входе в канал. Показано, что тепловая мощность канала с вихревыми генераторами на нижней поверхности увеличивается по сравнению с аналогичной в канале с гладкими стенками на 17–23 % соответственно указанным расходам. При расположении ВГ на нижней и верхней поверхностях тепловая мощность возрастает на 27–32 %. Метод может найти практическое применение при разработке конструкций теплообменников для охлаждения малоразмерных источников тепловыделения или для обеспечения теплообмена в труднодоступных областях.

Numerical investigation of heat transfer is carried out in an air channel of the rectangular cross section (0.005 × 0.031) m with the length of 0.175 m. The lower surface of the channel is uniformly heated up to 343 K, and the air flow temperature at the channel entrance is 293 K. Two flow rates Q = 0.0010044 and 0.00209 m3/s are considered. The heat transfer between the channel surfaces and the cooling air flow enhances by vortex generators (VG) placed at a heated and an opposite surfaces. These generators are formed by two rectangular plates arranged vertically on the surface and at an angle of attack α = 15° to the flow. The plate height is h = 0.002 m and its length is 0.015 m. The VGs at the heated surface creates a pair of longitudinal vortexes that generates behind the plates a common flow to the surface while a pair of longitudinal vortexes at the upper surface creates the common flow away from it. Interaction of longitudinal vortices and secondary flows created by them with the main flow enhances mixing inside the channel and heat exchange with surfaces. Investigation was carried out by the RANS method at Re = 1300–2600 based on the VG height and the flow velocity at the channel entrance. It is shown that the thermal power of the channel with VG at the lower surface increases relative to that in the smooth walls channel by 17–23 % for the considered flow rates. If VG are placed at the both surfaces, the channel thermal power increases by 27–32 % depending on the flow rate.

воздушный каналвихревые генераторытепловой потокпродольные вихриair channelvortex generatorsheat flowlongitudinal vorticesReferencesPearcy, H. H. Introduction to Shock-Induced separation and its prevention by design and boundary Layer control / H. H. Pearcy // Boundary Layer and Flow Control: Its Principle and Applications / ed. G. V. Lachmann. – Pergamon Press, 1961. – Vol. 2. – Part IV. – P. 1166–1344. https://doi.org/10.1016/B978-1-4832-1323-1.50021-XPearcy, H. H. Introduction to Shock-Induced separation and its prevention by design and boundary Layer control / H. H. Pearcy // Boundary Layer and Flow Control: Its Principle and Applications / ed. G. V. Lachmann. – Pergamon Press, 1961. – Vol. 2. – Part IV. – P. 1166–1344. https://doi.org/10.1016/B978-1-4832-1323-1.50021-XPauley, W. R. Experimental study of the development of longitudinal vortex pairs embedded in a turbulent boundary layer / W. R. Pauley, J. K. Eaton // AIAA Journal. – 1988. – Vol. 26, № 7. – P. 816–823. https://doi.org/10.2514/3.9974Pauley, W. R. Experimental study of the development of longitudinal vortex pairs embedded in a turbulent boundary layer / W. R. Pauley, J. K. Eaton // AIAA Journal. – 1988. – Vol. 26, № 7. – P. 816–823. https://doi.org/10.2514/3.9974Mehta, R. D., Longitudinal vortices imbedded in turbulent boundary layers. Part 2. Vortex pair with ‘common flow’ upwards / R. D. Mehta, P. Bradshaw // J. Fluid Mech. – 1988. – Vol. 188. – P. 529–546. https://doi.org/10.1017/S0022112088000837Mehta, R. D., Longitudinal vortices imbedded in turbulent boundary layers. Part 2. Vortex pair with ‘common flow’ upwards / R. D. Mehta, P. Bradshaw // J. Fluid Mech. – 1988. – Vol. 188. – P. 529–546. https://doi.org/10.1017/S0022112088000837Jacobi, A. M. Heat transfer surface enhancement through the use of longitudinal vortices: A review of recent progress / A. M. Jacobi, R. K. Shah // Exp. Therm. Fluid Sci. – 1995. – Vol. 11, Iss. 3. – P. 295–309. https://doi.org/10.1016/08941777(95)00066-UJacobi, A. M. Heat transfer surface enhancement through the use of longitudinal vortices: A review of recent progress / A. M. Jacobi, R. K. Shah // Exp. Therm. Fluid Sci. – 1995. – Vol. 11, Iss. 3. – P. 295–309. https://doi.org/10.1016/08941777(95)00066-UJoardar, A. Heat transfer enhancement by winglet-type vortex generator arrays in compact plain-fin-and-tube heat exchangers / A. Joardar, A. Jacobi // Int. J. Refrigeration. – 2008. – Vol. 31, Iss. 1. – P. 87–97. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2007.04.011Joardar, A. Heat transfer enhancement by winglet-type vortex generator arrays in compact plain-fin-and-tube heat exchangers / A. Joardar, A. Jacobi // Int. J. Refrigeration. – 2008. – Vol. 31, Iss. 1. – P. 87–97. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2007.04.011Hiravennavar, S. A note on the flow and heat transfer enhancement in a channel with built-in winglet pair / S. Hiravennavar, E. Tulapurkara, G. Biswas // Int. J. Heat Fluid Flow. – 2007. – Vol. 28, Iss. 2. – P. 299–305. https://doi.org/10.1016/j.ijheatfluidflow.2006.03.030Hiravennavar, S. A note on the flow and heat transfer enhancement in a channel with built-in winglet pair / S. Hiravennavar, E. Tulapurkara, G. Biswas // Int. J. Heat Fluid Flow. – 2007. – Vol. 28, Iss. 2. – P. 299–305. https://doi.org/10.1016/j.ijheatfluidflow.2006.03.030Experimental study of rectangular channel with modified rectangular longitudinal vortex generators / Chunhua Min [et al.] // Int. J. Heat Mass Trans. – 2010. – Vol. 53, Iss. 15–16. – P. 3023–3029. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2010.03.026Experimental study of rectangular channel with modified rectangular longitudinal vortex generators / Chunhua Min [et al.] // Int. J. Heat Mass Trans. – 2010. – Vol. 53, Iss. 15–16. – P. 3023–3029. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2010.03.026KeWei Song. Interaction of counter rotating longitudinal vortices and the effect on fluid flow and heat transfer / KeWei Song, Song Liu, LiangBi Wang // Int. J. Heat Mass Trans. – 2016. – Vol. 93. – P. 349–360. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2015.10.001KeWei Song. Interaction of counter rotating longitudinal vortices and the effect on fluid flow and heat transfer / KeWei Song, Song Liu, LiangBi Wang // Int. J. Heat Mass Trans. – 2016. – Vol. 93. – P. 349–360. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2015.10.001Nandana, V. Numerical study on the enhancement of heat transfer performance in a rectangular duct with new winglet shapes / V. Nandana, U. Janoske // Therm. Sci. Eng. Progress. – 2018. – Vol. 6. – P. 95–103. https://doi.org/10.1016/j.tsep.2018.03.005Nandana, V. Numerical study on the enhancement of heat transfer performance in a rectangular duct with new winglet shapes / V. Nandana, U. Janoske // Therm. Sci. Eng. Progress. – 2018. – Vol. 6. – P. 95–103. https://doi.org/10.1016/j.tsep.2018.03.005Wilcox, D. C. Turbulence modeling for CFD / D. C. Wilcox. – La Canada, California: DCW Industries Inc., 1998. 537 p.Wilcox, D. C. Turbulence modeling for CFD / D. C. Wilcox. – La Canada, California: DCW Industries Inc., 1998. 537 p.

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