Improving the efficiency of drop-shaped tube bundles by controlling the angle of attack
In the present work, a numerical study of the possibility of increasing the thermal-hydraulic performance of drop-shaped tube bundles was carried out by controlling the angle of attack θ from 0° to 360°. The Reynolds number Re ranged from 1780 to 18700. Ten cases of twenty-row circular and drop-shaped tube bundles in in-line and staggered arrangement were considered. The results of numerical simulation showed that the maximum values of the thermal-hydraulic performance can be achieved for a number of studied bundles, while the best ones were for the case 6 (θ_(1-5)=0°, θ_(6-10)=330°, θ_(11-15)=30°, θ_(16-20)=0°), which were greater by 65.9 – 71.54% and 63.18 – 75.93% than those for the case 3 (staggered drop-shaped tube bundle, θ_(1-20)=0°) and case 1 (staggered circular tube bundle), respectively. Formulas was developed for calculating the average Nusselt number and thermal-hydraulic performance for case 6 with a maximum deviation of 0.74% and 0.48%, respectively.
В настоящей работе проведено численное исследование возможности повышения термогидродинамической эффективности пучков каплевидных труб за счет управления углом атаки θ от 0° до 360°. Исследование характеристик теплообмена проводилось в диапазоне чисел Рейнольдса от 1780 до 18700. Рассмотрены десять случаев пучков труб круглой и каплевидной формы с коридорным и шахматным расположением. Результаты численного моделирования показали, что максимальные значения общей теплогидродинамической эффективности могут быть достигнуты для ряда исследованных конфигураций, при этом наиболее удачные – для случая 6 (θ_(1-5)=0°, θ_(6-10)=330°, θ_(11-15)=30°, θ_(16-20)=0°) превышают на 65,9 – 71,54 % и 63,18 – 75,93 %, наименее удачные конфигурации, как в случае 3 (шахматный пучок каплевидных труб, θ_(1-20)=0°) и в случае 1 (шахматный пучок круглых труб), соответственно. Разработаны формулы для расчета среднего числа Нуссельта и эффективности для случая 6 с максимальным отклонением 0,74 % и 0,48%, соответственно.
1. Chatterjee D., Mondal B., “Unsteady mixed convection heat transfer from tandem square cylinders in cross flow at low Reynolds numbers,” Heat Mass Transfer, Vol. 49, 2013, P. 907–20. 2. Zhukauskas A., “Heat transfer from tubes in cross-flow,” Adv. Heat Transf., Vol. 8, 1972, Pp. 93–160. 3. Bahaidarah H.M.S., Anand N.K., Chen H.C., “A numerical study of fluid flow and heat transfer over a bank of flat tubes,” Num. Heat Trans. Part A: Appl., Vol. 48, 2005, P. 359–385. 4. 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, Vol. 34, 2013, Pp. 417-429. 5. Alawadhi E.M., “Laminar forced convection flow past an in-line elliptical cylinder array with inclination,” J. Heat Transfer, Vol. 132, 2010, 071701. 6. Жукова Ю.В., Терех А.М., Руденко А.И., “Конвективный теплообмен и аэродинамическое сопротивление двух расположенных бок о бок труб в узком канале при различных числах Рейнольдса,” Докл. Нац. акад. наук Беларуси, Т. 62, № 6., 2018, С. 756-762. 7. Deeb R., Sidenkov D.V., “Numerical analysis of heat transfer and fluid flow around circular and non-circular tubes,” IOP Conf. Series J. Phys, 2088, 2021, 012008. 8. Дееб Р., “Влияние угла атаки на теплообменные и гидродинамические характеристики шахматного пучка труб каплевидной формы в поперечном обтекании,” Доклады АН ВШ РФ, Том. 48, № 3, 2020, C. 21–36. 9. Sayed A. et al., “Effect of attack and cone angels on air flow characteristics for staggered wing shaped tubes bundle,” Heat and Mass Transfer, Vol. 51, 2015, Pp.1001–1016. 10. Дееб Р., “Обобщение и анализ результатов последних исследований в области улучшения характеристик теплообмена и гидродинамики при поперечном обтекании гладких труб,” Тепловые процессы в технике, Т. 13, № 2, 2021, С. 50-69. 11. Дееб Р., “Влияние угла атаки на характеристики теплообмена при обтекании одиночной каплевидной трубы,” Физико-химическая кинетика в газовой динамике, Т.22, № 5, 2021, С. 43-63. 12. Дееб Р., “Теплоаэродинамические характеристики шахматного смешанного пучка круглых и каплевидных труб,” Физико-химическая кинетика в газовой динамике, Т. 23, № 2, 2022, С. 15-37. 13. Deeb R., “Numerical analysis of the effect of longitudinal and transverse pitch ratio on the flow and heat transfer of staggered drop-shaped tubes bundle,” Int. J. Heat Mass Transfer, Vol. 183, 2022, 122123. 14. Дееб Р., “Прогнозирование характеристик теплообмена в однорядных и многорядных теплообменниках с шахматным расположением каплевидных труб,” Тепловые процессы в технике, Т. 14, № 9, 2022, С. 410-419. 15. ANSYS Fluent Reference Guide. ANSYS. Inc. Release 16.0. 2015.
