Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Проект посвящен развитию научно обоснованной методики теплогидравлического расчета и проектирования рабочих узлов аппаратов воздушного охлаждения и теплообменников воздушного охлаждения: пучков труб с внешним оребрением, охлаждаемых снаружи течением воздуха в режимах, возникших под влиянием преобладающих эффектов свободной конвекции. В течение первого года работ были выполнены следующие исследования. Подготовлен аналитический обзор работ, посвященных исследованиям течения воздуха и теплообмена через горизонтально ориентированные одиночные трубы и пучки труб с внешним поперечным оребрением с акцентом на свободно-конвективные режимы эксплуатации. Выбраны тестовые постановки задач для валидации численных методик и отработки методики численного моделирования, проведены соответствующие расчеты и получены следующие основные результаты. Для задачи о свободной конвекции воздуха вблизи гладкой трубы при разной угловой ориентации трубы показано хорошее согласие рассчитанных значений интегральной и локальной теплоотдачи с известными из литературы корреляционными зависимостями и экспериментальными данными белорусских коллег. Для задачи о свободно-конвективном течении и теплообмене вблизи нагретой оребренной трубы при значениях числа Грасгофа порядка 10**5 получено, что значения скорости в межреберном пространстве существенно ниже локальных максимумов скорости, формирующихся вблизи трубы. Изменение локального числа Нуссельта вдоль радиального направления охватывает не более 20% от края ребра. Сделан вывод, что геометрическая компоновка трубы является неоптимальной в рассмотренных режимах работы. Результаты расчетов согласуются с экспериментальными данными белорусских коллег по интегральной теплоотдаче от трубы. Проведено параметрическое исследование влияния на формирующееся течение и теплообмен обезразмеренного расстояния между ребрами (шаг ребер) s/δ (δ – толщина ребра), значения которого находятся в диапазоне от 4.4 (экспериментальная конфигурация) до 18. Для задачи о свободной конвекции воздуха вблизи одиночной оребренной трубы по данным расчетов определено оптимальное значение межреберного расстояния (s/δ = 11), при котором достигаются максимальные значения осредненного по поверхности трубы числа Нуссельта Nu. Выполнена оценка вклада лучистой составляющей теплового потока в общий теплосъем для вариантов с различными шагами ребер. Для задачи о свободно-конвективном течении и теплообмене вблизи бесконечного ряда горизонтальных оребренных труб получены данные о влиянии на течение и теплообмен задаваемой модели среды. Показано, что результаты, полученные с использованием приближения Буссинеска, близки к полученным по модели сжимаемого газа только при значении параметра плавучести (безразмерного перепада температуры между поверхностью трубы и окружающей средой) меньшем 0.1. Результаты расчетов для модели сжимаемого газа хорошо согласуются с экспериментальными данными белорусских коллег в диапазоне изменения числа Грасгофа от 10**4 до 6х10**5. Для задачи о свободно-конвективном течении через однорядный горизонтальный пучок из шести оребренных труб и теплообмене проведена оценка влияния краевых эффектов на теплоотдачу от поверхности труб при малых межтрубных расстояниях S/d (S – шаг установки труб, d – диаметр ребра): в частности, показано, что различие между теплоотдачей от трубы в пучке бесконечного размаха и теплоотдачей от первой с края трубы ограниченного по размаху пучка достигает 25%. В рассмотренной компоновке из шести труб при увеличении межтрубного расстояния интенсивность интегрального теплосъема с поверхности всех труб возрастает, достигая максимального значения: диапазон значений S/d составил от 1.11 до 1.26. Дальнейшее увеличение зазора между трубами сопровождается уменьшением числа Нуссельта, которое при S/d = 2 становится приблизительно равным значению, рассчитанному для одиночной оребренной трубы. Для ограниченного по размаху пучка продемонстрировано хорошее согласие расчетных и экспериментальных данных белорусских коллег о теплоотдаче при разных значениях S/d и числа Грасгофа. Для задачи о смешанной конвекции через однорядный безграничный пучок труб проведены оценки влияния на течение и характеристики теплообмена с варьированием количества ребер и труб в расчетной области (размерность сетки достигала 36 млн ячеек). Использовалось два подхода к моделированию течения: Implicit LES (ILES) и RANS. На основе данных ILES показано, что в ближнем следе сначала развиваются когерентные крупномасштабные вихревые образования, совершающие интенсивные поперечные перемещения, и присутствуют вихревые трубки, формирующиеся при обтекании кромок ребер. Переход к развитой трехмерной турбулентности происходит на расстоянии около одного калибра. Данные RANS расчетов дали существенно упрощенную. структуру течения в следе за пучком. Вместе с тем, для вариантов с квази-ламинарным течением в межреберном зазоре RANS расчеты предсказали практически такие же, как при ILES-подходе, картины локального теплообмена на поверхности ребер, за исключением областей у задних кромок. Проведены расчеты термогравитационного течения при установке над двухрядным пучком шахты и без нее. Установлено, что для двухрядного пучка, собранного из небольшого числа труб в каждом ряду, средний коэффициент теплоотдачи с поверхности отдельных труб ряда может существенно отличаться. Так, для варианта без шахты теплоотдача от центральной трубы второго ряда пучка ниже, чем от крайней (боковой) на 15%, а в случае с шахтой – наоборот, выше на 25%. В случае без шахты эффективность использования ребер для рассмотренных размеров и шага установки крайне низка: теплосъем в основном осуществляется с периферии ребер. В случае с шахтой ситуация заметно улучшается, однако и здесь доля поверхности ребер, вносящая заметный вклад в интенсификацию, невысока: при значениях числа Грасгофа порядка 10**5 она составляет 15…25%, в зависимости от положения трубы в пучке. Получены согласованные данные расчетов и экспериментов белорусских коллег по значениям интегрального числа Нуссельта, показывающие, что установка вытяжной шахты высотой, на порядок превышающей диаметр ребер, влечет за собой увеличение числа Нуссельта до пяти раз. По результатам проведения в автоматизированном режиме многовариантных расчетов свободно-конвективного течения через однорядный пучок из шести оребренных труб накоплены данные, пригодные для применения методов машинного обучения к задаче регрессии. Отобраны, реализованы, обучены на основе данных и сохранены для дальнейших исследований шесть моделей. Получено, что наилучшие результаты предсказания числа Нуссельта в зависимости от варьируемых (входных) параметров дали модели градиентного бустинга и многослойный перцептрон, продемонстрирован потенциал нейросети Колмогорова-Арнольда для создания интерпретируемых моделей и построения математических формул.