Численное моделирование ламинаризации течения в каналах с отрицательным градиентом давления


Просмотр статьи
PDF, 1,7 МБ

Numerical Modeling of Flow Laminarization in Channels with a Negative Pressure Gradient

Numerical simulation of flow and heat transfer in channels with a negative pressure gradient is carried out using a three-parameter differential RANS turbulence model supplemented by a transfer equation for a turbulent heat flux. The flow in a flat confuser with small values of the wall inclination angle is considered in a wide range of Reynolds numbers. Heat transfer during the flow of a helium-xenon gas mixture in a heated pipe is investigated in a wide range of heat fluxes into the pipe wall. Estimates are obtained for the flow acceleration parameter that ensures laminarization of the turbulent flow in the channel.

flow with heat exchange, RANS turbulence model, flat confuser, heated pipe.

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.25.4.1121


Том 25, выпуск 4, 2024 год



Численное моделирование течения и теплообмена в каналах с отрицательным градиентом давления проведено с использованием трехпараметрической дифференциальной RANS-модели турбулентности, дополненной уравнением переноса для турбулентного потока тепла. Рассмотрено течение в плоском конфузоре с малыми величинами угла наклона стенки в широком диапазоне чисел Рейнольдса. Исследован теплообмен при течении гелий-ксеноновой смеси газов в обогреваемой трубе в широком диапазоне величин тепловых потоков в стенку трубы. Получены оценки параметра ускорения потока, обеспечивающего ламинаризацию турбулентного течения в канале.

течение с теплообменом, RANS-модель турбулентности, плоский конфузор, труба с подогревом.

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.25.4.1121


Том 25, выпуск 4, 2024 год



1. Sternberg J. The transition from a turbulent to a laminar boundary layer // US Army Bal. Res. Lab. Aberdeen (USA), 1954. Rep. 906.
2. Гиневский А.С., Иоселевич В.А., Колесников А.В. и др. Методы расчета турбулентного пограничного слоя // Итоги науки и техники. Сер. Механика жидкости и газа. М.: ВИНИТИ. 1978. Т. 11. С. 155–304.
3. Narasimha R., Sreenivasan K.R. Relaminarization fluid flows // Advances in Applied Mechanics. 1979. V. 19. Pp. 221–309.
4. Кадер Б.А., Яглом А.М. Влияние шероховатости и продольного градиента давления на турбулентные пограничные слои // Итоги науки и техники. Сер. Механика жидкости и газа. М.: ВИНИТИ. 1984. Т. 18. С. 3–111.
5. Лущик В.Г., Павельев А.А., Якубенко А.Е. Уравнения переноса для характеристик турбулентности: модели и результаты расчетов // Итоги науки и техники. Сер. Механика жидкости и газа. М.: ВИНИТИ. 1988. Т. 22. С. 3–61.
6. Moretti P.H., Kays V.M. Heat transfer in turbulent boundary layer with varying free-stream velocity and varying surface temperature—an experimental study // Int. J. Heat Mass Transfer. 1965. V. 8. Pp. 1187–202.
7. Sreenivasan K.R. Laminarescent, relaminarizing and retransitional flows // Acta Mech. 1982. V. 44. Pp.1–48.
8. Badry Narayanan M.A., Ramjee V. On the criteria for reverse transition in a two-dimensional boundary-layer flow // J. Fluid Mech. 1969. Vol. 35. Pt 2. Pp. 225–241.
9. Секундов А.Н. Применение дифференциального уравнения для турбулентной вязкости к анализу плоских неавтомодельных течений // Изв. АН СССР. МЖГ, 1971. №5. С. 114–127.
10. Volchkov E.P., Makarov M.S., Sakhnov A.Yu. Boundary layer with asymptotic favourable pressure gradient // Int. J Heat Mass Transfer. 2010. Vol. 53. Pp. 2837–2843.
11. Bourassa C., Thomas F.O. An experimental investigation of a highly accelerated turbulent boundary layer // Journal of Fluid Mechanics. 2009. N. 634. Pp. 359–404.
12. Jones M.B., Marusic I., Perry A.E. Evolution and structure of sink-flow turbulent boundary layers // J. Fluid Mech. 2001. V.428. Pp. 1–27.
13. Escudier M.P., Abdel-Hameed A., Johnson M.W., Sutcliffe C.J. Laminarization and retransition of a turbulent boundary layer subjected to favourable pressure gradient // Exp. Fluids. 1998. V. 25. Pp. 491–502.
14. Кун К.В, Перкинс Х.К. Переход от турбулентного режима к ламинарному для течения в трубе со значительным изменением физических свойств // Теплопередача. 1970. № 3. С. 198.
15. Бэнкстон К.А. Переход от турбулентного течения газа к ламинарному в нагреваемой трубе // Теплопередача. 1970. Т. 92. № 4. С. 1–12.
16. Лущик В.Г., Макарова М.С., Решмин А.И. Ламинаризация потока при течении с теплообменом в плоском канале с конфузором // Изв. РАН. МЖГ. 2019. № 1. С. 68–77.
17. Танака, Симицу. Ламинаризация турбулентных потоков в каналах при низких числах Рейнольдса // Теплопередача. 1977. Т. 99. № 4. С. 192–193.
18. Танака и др. Влияние ламинаризации потока и его последующей турбулизации на теплообмен в случае течения при малых числах Рейнольдса в канале, состоящем из конфузорной секции и следующей за ней секции с постоянным поперечным сечением // Теплопередача. 1982. Т. 104. № 2. С. 144–153.
19. Talamelli A., Fornaciari N., Johan K., Westin A., Alfredsson P.H. Experimental investigation of streaky structures in a relaminarizing boundary layer // Journal of turbulence. 2002. N.3. 018.
20. Ichimiya M., Nakamura I., Yamashita S. Properties of a relaminarizing turbulent boundary layer under a favorable pressure gradient // Experimental Thermal and Fluid Science, 1998. V. 17. N.1–2. Pp. 37–48.
21. Ichimiya M., Nakase Y., Nakamura I., Yamashita S., Fukutomi J., Yoshikawa M. Properties of a relaminarizing turbulent boundary layer under a favorable pressure gradient (Analysis of bursting structure with VITA technique) // Nippon Kikai Gakkai Ronbunshu, B Hen/Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, Part B, 1998. V.62 N.594., pp. 483–490.
22. Schlichting H. Boundary-Layer Theory/ 7th edn (New York: McGraw-Hill), 1979.
23. Oriji U.R., Karimisani S., Tucker P.G. RANS modeling of accelerating boundary layers// Journal of Fluids Engineering, Transactions of the ASME, 2015. V. 137. N.1. Paper A12.64.
24. Лущик В.Г, Павельев А.А., Якубенко А.Е. Трехпараметрическая модель сдвиговой турбулентности // Изв. АН СССР. МЖГ. 1978. № 3. С. 13–25.
25. Лущик В.Г., Павельев А.А., Якубенко А.Е. Уравнение переноса для турбулентного потока тепла. Расчет теплообмена в трубе // Изв. АН СССР. МЖГ. 1988. № 6. С. 42–50.
26. Лущик В.Г., Решмин А.И. Интенсификация теплообмена в плоском безотрывном диффузоре // Теплофизика высоких температур. 2018. Том 56. № 4. С. 586–593
27. Шакиров Р.Р, Давлетшин И.А., Михеев Н.И. Кинематическая структура течений и теплоотдачи в плоских диффузорном и конфузорном каналах // Теплофизика и аэромеханика. 2022. Т. 29. № 5. С. 799–805.
28. Лущик В. Г., Решмин А. И., Тепловодский С. Х., Трифонов В. В. Численное моделирование течения и теплообмена в плоском конфузоре // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2024. Т.25(1). С. 1–16.
29. Репик Е.У., Соседко Ю.П. Управление уровнем турбулентности потока. М.: Физматлит, 2002. 244 с.
30. Лущик В.Г., Решмин А.И., Трифонов В.В. Влияние входных условий на течение и теплообмен в плоском диффузоре // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2023. Т.24(5). С. 1–14.
31. Лущик В. Г., Макарова М. С. Теплообмен при течении в трубе газовой смеси He–Xe с сущест-венным градиентом давления, обусловленным сильным нагревом трубы // Инженерно-физический журнал. 2022. Том 95. № 6. С. 1568–1578.
32. Vitovsky O.V., Makarov M.S., Nakoryakov V.E., Naumkin V.S. Heat transfer in a small diameter tube at high Reynolds number // Int. J. Heat Mass Transfer. 2017. Vol. 109. Pp. 997–1003.
33. Elistratov S.L., Vitovskii O.V., Slesareva E.Yu.. Experimental investigation of heat transfer of he-lium-xenon mixtures in cylindrical channels // J. Engineering Thermophysics. 2015. Vol. 24. No.1. Pp. 33–35.