Experimental and Numerical Investigation of The Effects of Angle-of-Attack on Air Flow Characteristics for Single Drop-Shaped Tube




An experimental and numerical study has been conducted to clarify the aerodynamic drag of single circular and drop-shaped tubes. The study is performed for the Reynolds number Re= (13200 ~ 30400)and for twelve angles of attack of the drop-shaped tube θ=0°~180°. The results of numerical modeling using the k-ω turbulence model showed a good agreement with experimental data. The flow pattern around the tubes was predicted using the universal software package ANSYS fluent. The distribution of local coefficients of pressure over tubes surface was plotted and analysed. The dependences of drag coefficients on the angle of attack of the drop-shaped tubes is shown. The results obtained indicate that the friction factor f of drop-shaped tubes was significantly lower than that of a circular tube. Results indicated that there is no optimal angle of attack that provides the lowest friction factor for the entire range of the Reynolds number. 7.The lowest values of the friction factor are achieved at θ=50° for Re ≤15100, at θ=150° for 15100 < Re < 20300 and at θ=170° for Re ≥ 20300. The values of f for the arrangement of θ=50°, 150° and 170° are lower than those obtained for a circular tube by about 61,62–65,24%, 61,01–61,16%, and 62,05–68,82%, respectively

Drop-shaped tube, circular tube, angle of attack, aerodynamic drag, longitudinal force coefficient, normal hydrodynamic drag force coefficient, pressure coefficient, numerical study.


Volume 22, issue 2, 2021 year


Экспериментальное и численное исследование влияния угла атаки на характеристики воздушного потока при обтекании одиночной каплевидной трубы

В данной работе проводится экспериментальное и численное исследование аэродинамического сопротивления одиночных труб круглой и каплевидной формы. Работа выполнена в диапазоне чисел Рейнольдса Re= (3200 ~ 30400) и для двенадцати углов атаки каплевидной трубы (θ= 0°~180°). С помощью универсального программного пакета ANSYS fluent были визуализированы линии тока при обтекании исследуемых труб. Представлено распределение локального коэффициента давления на поверхности труб. Приведены зависимости продольной и нормальной составляющих коэффициента аэродинамического сопротивления от угла атаки каплевидной трубы. Результаты численного моделирования с использованием модели турбулентности k-ω показали хорошее соответствие экспериментальным данным. Полученные результаты свидетельствуют о том, что аэродинамическое сопротивление каплевидной трубы значительно ниже, чем у круглой. Показано, что не существует оптимального угла атаки, обеспечивающего наименьшее аэродинамического сопротивление для всего исследуемого диапазона чисел Рейнольдса. Наименьшие значения коэффициента аэродинамического сопротивление были достигнуты при θ=50° и Re≤15100, θ=150° и 15100<Re<20300 и θ=170° и Re≥20300.

Каплевидная труба, круглая труба, угол атаки, аэродинамическое сопротивление, коэффициент продольной силы, коэффициент нормальной силы гидродинамического сопротивления, коэффициент давления, численное исследование


Volume 22, issue 2, 2021 year




1. Антуфьев В.М., Белецкий Г. С. Теплоотдача и аэродинамические сопротивления трубчатых поверхностей в поперечном потоке. М. – Л.: Машгиз, 1948. – 119 с.
2. Антуфьев В.М. Эффективность различных форм конвективныхповерхностей нагрева. М. Л.:Энергия, 1966. –184 с.
3. Кэйс В.М., Лондон А.Л. Компактные теплообменники. М.: Госэнергоиздат, 1962. – 160 c.
4. Brauer H. Verein Grosskesselbesitzer. 1961. № 73. С.260-276.
5. Ibrahim T.A. and Gomaa A. Thermal performance criteria of elliptic tube bundle in crossflow // International Journal of Thermal Sciences. 2009. Vol. 48. Pp.2148–2158.
6. Lavasani A.M., Bayat H. Numerical study of pressure drop and heat transfer from circular and cam-shaped tube bank in cross-flow of nanofluid // Energy conversion and management. 2016 Vol. 129. Pp.19-328.
7. Toolthaisong S., Kasayapanand N. Effect of Attack Angles on Air Side Thermal and Pressure Drop of the Cross Flow Heat Exchangers with Staggered Tube Arrangement // Energy Procedia. 2013. Vol. 34. Pp.417–429.
8. Deeb R., Sidenkov D.V. Numerical simulation of the heat transfer of staggered drop-shaped tubes bundle // IOP Conf. Series: Journal of Physics. 2019. DOI: 10.1088/1742-6596/1359/1/012135.
9. Deeb R., Sidenkov D.V. Investigation of Flow Characteristics for Drop-shaped Tubes Bundle Using Ansys Package // 2020 V International Conference on Information Technologies in Engineering Education (Inforino). Moscow. Russia. 2020. DOI: 10.1109/Inforino48376.2020.9111775.
10. Deeb R., Sidenkov D.V. Calculation of radiation heat transfer in staggered drop-shaped tubes bundle // IOP Conf. Series: Journal of Physics. 2019. DOI: 10.1088/1742-6596/1565/1/012043.
11. Дееб Р. Численное исследование характеристик теплообмена и гидравлического сопротивления шахматных пучков сдвоенных труб круглой и каплевидной формы // Вестник Тепловые процессы в технике. 2020. Том. 12. №. 10.
12. Deeb R. Effect of Longitudinal Spacing on The Flow and Heat Transfer for Staggered Drop-shaped Tubes Bundle in Cross-flow//Physical-Chemical Kinetics in Gas Dynamics. 2020. Vol.21. http://chemphys.edu.ru/issues/2020-21-1/articles/878/
13. Horvat A., Leskovar M. and Mavko B. Comparison of heat transfer conditions in tube bundle cross-flow for different tube shapes // Int J Heat Mass Transf. 2006. Vol. 49. Pp.1027–1038.
14. Chamoli S., Tang T., Yu P., Lu Ruixin. Effect of shape modification on heat transfer and drag for fluid flow past a cam-shaped cylinder // Int. J. Heat Mass Transf. 2019. Vol. 131. Pp.1147–1163.
15. Guan-min Z. et al. Flow and heat transfer characteristics around egg-shaped tube //Int. J. Heat Mass Transf. 2015. Vol. 27. Pp.76-84.
16. Дееб Р., Сиденков Д.В. Численное исследование теплообмена и аэродинамики одиночных труб каплевидной формы // Вестник Международной академии холода. 2020. Том. 76. №. 3.
17. ANSYS Fluent Reference Guide. ANSYS. Inc. Release 16.0. 2015.
18. Yakhot V. et al. Renormalization Group Modeling and Turbulence Simulations // International Conference on Near-Wall Turbulent Flows. Arizona. Tempe. 1993.
19. Лубина А.С, Седов А.А. Верификация CFD-моделей ANSYS FLUENT для однофазных течений в каналах простой формы // конф. «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР», Подольск, Россия 16-19 мая 2017 г.
20. Kim T. Effect of longitudinal pitch on convective heat transfer in crossflow over inline tube banks //Ann. Nucl. Energy. 2013. Vol. 57. Pp.209–215.
21. Петров К.П. Аэродинамика тел простейших форм // М.: Факториал. 1998. 432 с.