Интенсификация теплообмена в воздушном канале продольными вихрями

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.

1. Pearcy, 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-X

2. Pauley, 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/10.2514/3.9974

3. Mehta, 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/S0022112088000837

4. Jacobi, 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-U

5. Joardar, 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.2007.04.011

6. Hiravennavar, 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.2006.03.030

7. Experimental 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.2010.03.026

8. KeWei 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.2015.10.001

9. Nandana, 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.2018.03.005

10. Wilcox, D. C. Turbulence modeling for CFD / D. C. Wilcox. – La Canada, California: DCW Industries Inc., 1998. 537 p.