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.

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Проект посвящен развитию научно обоснованной методики расчета и проектирования теплообменных аппаратов воздушного охлаждения, состоящих из пучков труб с внешним оребрением, охлаждаемых снаружи течением воздуха, при доминирующих эффектах свободной конвекции. В течение второго года работ были выполнены следующие исследования. Получены данные о термогравитационном течении и характеристиках теплообмена в пучках, состоящих из нескольких рядов оребренных труб с расположенной над пучком вытяжной шахты, высота которой на порядок превышает диаметр ребра. В картинах течения, полученных для вариантов без вертикальных перегородок, внутри шахты наблюдаются обширные застойные зоны, которые препятствуют свободному продвижению нагретого воздуха через шахту. Установка перегородок приводит к уменьшению размеров рециркуляционных зон и увеличению расхода. Установлено, что на второй, третий и четвертый ряды набегает существенно неоднородный поток, сформировавшийся при протекании через нижний ряд, что существенно влияет на локальное распределение числа Нуссельта. Полученные в расчетах зависимости интегрального числа Нуссельта (среднего по центральным трубам всех рядов) в диапазоне изменения числа Грасгофа до 3×10^5 хорошо согласуются с экспериментальными данными белорусских коллег. Проведен анализ параметров течения и теплообмена для задачи о смешанной конвекции в разреженном двухрядном пучке с коридорной и шахматной компоновкой, полученных с помощью вихреразрешающего моделирования. Показано, что над первым рядом пучка на фоне относительно мелкомасштабной турбулентности наблюдаются крупномасштабные вихревые структуры, спровоцированные обтеканием несущей трубы. Значения интегрального числа Нуссельта, осредненные по времени и по поверхности труб первого и второго ряда практически не зависят от компоновки труб. Полученные результаты указывают на слабое влияние турбулентных структур на интегральную теплоотдачу второго ряда. Для задачи о свободной конвекции воздуха около нагретой оребренной трубы конечной длины выполнена оценка влияния на теплоотдачу угла наклона трубы, шага и типа ребер. Показано, что краевые эффекты, связанные с наклоном трубы, возникают на расстоянии одного диаметра несущей трубы от торца. С увеличением угла наклона трубы (при переходе от горизонтальной трубы к вертикальной) суммарный теплосъем снижается примерно на 30%, при этом изменение угла наклона трубы в пределах 30° снижает теплосъем лишь на 4%. Установлено, что для круглых ребер с постоянной и с переменной по высоте толщиной ребра структура течения и характеристики теплообмена совпадают. В случае спирального оребрения, при наибольшем угле наклона трубы течение является нестационарным, а теплосъем с поверхности трубы оказывается на 20% выше, чем при круглом оребрении с постоянной толщиной ребра. При меньших углах наклона течение стационарно, а теплоотдача совпадает. Показано хорошее согласие рассчитанных значений интегральной теплоотдачи с экспериментальными данными белорусских коллег при изменении угла наклона трубы и с литературными корреляционными зависимостями при изменении шага оребрения. Для задач о свободной конвекции около одиночной горизонтальной оребренной трубы и однорядного пучка труб в безграничном пространстве проведены две серии расчетов. В первой серии число Рэлея варьировалось за счет изменения параметра плавучести, а во второй – за счет изменения линейного масштаба задачи (при заданном малом значении параметра плавучести). Показано, что зависимости интегрального числа Нуссельта от числа Рэлея, полученные в двух сериях расчетов, практически совпадают, если в качестве определяющей температуры при обработке данных для труб с малым шагом установки ребер использовать температуру поверхности несущей трубы. Выполнены многопараметрические расчеты термогравитационного течения и теплообмена через однорядный пучок, состоящий из шести оребренных труб с установленной над ним вытяжной шахтой. Показано сильное влияние на структуру течения, характеристики теплоотдачи изменения параметров задачи – шага труб и ребер и высоты шахты. Варьирование шага установки ребер и расстояния между трубами позволило улучшить характеристики теплоотдачи в три раза по сравнению с базовым вариантом компоновки, исследованным экспериментально. Установка над пучком шахты, высота которой в десять раз превышает вертикальный размер пучка, существенно интенсифицирует теплообмен: для базовой геометрии эффективное среднее число Нуссельта увеличивается в шесть раз, а для оптимизированной – до двух раз. В задаче о свободной конвекции около одиночной оребренной трубы и однорядного пучка горизонтальных труб (в сжатой и разреженной компоновках) проведено исследование влияния изменения геометрии ребер на теплосъем. Продемонстрирована принципиальная возможность повышения локальной теплоотдачи путем модификации формы ребра, однако для рассмотренных конфигураций теплосъем с поверхности ребра изменяется слабо. Выполнен анализ течения и характеристик теплообмена в пучках с гладкими пластинчатыми ребрами и с пластинчатыми ребрами, на которых сформированы парные винглеты, при изменении режима течения от свободноконвективного до режима вынужденной конвекции. В случае сравнительно слабого, индуцированного свободной конвекцией течения винглеты не увеличивают локальную теплоотдачу, лишь изменяя распределения локальных значений числа Нуссельта в сторону уменьшения по сравнению с гладким ребром. В смешанноконвективном режиме за винглетами формируются области повышенной теплоотдачи, интегральная теплоотдача под влиянием винглетов увеличивается по сравнению с вариантом гладкого ребра более чем на 10% и далее возрастает при переходе к вынужденноконвективному течению. Продолжены исследования по направлению разработки и применения моделей машинного обучения для обобщения данных расчетов, прогнозирования интегральных характеристик течения и теплообмена в трубных пучках различных конфигураций и условий эксплуатации. Улучшены предсказательные свойства задействованных моделей, разработаны и обучены, в том числе на новых данных модели байесовской нейросети и символьной регрессии. Для наборов данных с одним входным параметром продемонстрировано высокое качество прогнозов, сгенерированы символьные формулы приемлемой сложности для интегральных характеристик. Разработана и апробирована методика создания суррогатной модели методами активного обучения.