Модификация формы выемок и её влияния на аэродинамические характеристики пластины с выемками


Просмотр статьи
PDF, 3,8 МБ

Modification of dimple Shape and its influence on the aerodynamic characteristics of a dimpled plate

In this study, numerical simulations were conducted to investigate the effect of dimpled surfaces on flow characteristics within the Reynolds number range of 8500 ≤ Re ≤ 75000. Spherical, elliptical, drop-shaped, and cam-shaped dimples were analyzed at at-tack angles of θ = 0° and 180°, and compared to a smooth plate. The analysis of velocity, turbulent kinetic energy, and pressure distributions revealed that dimpled surfaces promote the formation of strong secondary flows, boundary layer disruption, and vortex structures. Additionally, the results showed that drop-shaped and elliptical dimples provide the lowest aerodynamic drag, whereas cam-shaped and spherical dimples generate significant sec-ondary vortices, increasing resistance. Drop-shaped dimples at a 0° attack angle demon-strate the best balance between drag reduction and flow recovery efficiency.

dimple, cavity, drop-shaped, cam-shaped, elliptical-shaped, angle of attack, flow separa-tion, secondary flows, Kelvin–Helmholtz vortices, aerodynamic drag coefficient.

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.26.3.1182


Том 26, выпуск 3, 2025 год



В данном исследовании проведено численное моделирование влияния поверхностей с выемками на характеристики течения в диапазоне чисел Рейнольдса 8500≤Re≤75000. Рассматривались сферические, эллиптические, каплевидные и кулачковые выемки при углах атаки θ=0° и 180°, сравнивая их с гладкой пластиной. Анализ распределения скорости, турбулентной кинетической энергии и давления показал, что поверхности с выемками способствуют образованию мощных вторичных течений, разрушению пограничного слоя и формированию вихревых структур. Кроме того, результаты показали, что каплевидные и эллиптические выемки обеспечивают наименьшее аэродинамическое сопротивление, в то время как кулачковые и сферические формы создают значительные вторичные вихри, увеличивающие сопротивление. Каплевидные выемки при угле атаки 0° демонстрируют наилучший баланс между снижением сопротивления и эффективностью восстановления потока.

выемка, лунка, каплевидная форма, кулачковая форма, эллиптическая форма, угол атаки, отрыв течения, вторичные течения, вихри Кельвина–Гельмгольца, коэффициент аэродинамического сопротивления.

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.26.3.1182


Том 26, выпуск 3, 2025 год



1. Леонтьева А.И. Вихревые технологии для энергетики. Под общ. ред. М.: Изд. дом МЭИ, 2017. 500 с.
2. Han J.C., Dutta S., Ekkad S. Gas Turbine Heat Transfer and Cooling Technology. Taylor and Francis, New York, 2001.
3. Juan H., Qinghua D., Zhenping F. Film Cooling Performance Enhancement by Upstream V-shaped Protrusion/Dimple Vortex Generator // International Journal of Heat and Mass Trans-fer. 2021. Vol. 180. 121784. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2021.121784
4. Terekhov V.I., Kalinina S.V., Mshvidobadze Y.M., Sharov K.A. Impingement of an impact jet onto a spherical cavity. Flow structure and heat transfer // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2009. Vol. 52. No. 11–12. P. 2498-2506. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2009.01.018
5. Terekhov V.I., Kalinina S.V., Mshvidobadze Y.M. Heat transfer coefficient and aerodynam-ic resistance on a surface with a single dimple // Journal of Enhanced Heat Transfer. 1997. Vol. 4. No. 2. P. 131–145. https://doi.org/10.1615/JEnhHeatTransf.v4.i2.60
6. Wang F., Chen L., Liu K., Tang H., Ren Y. Heat transfer and flow friction characteristics of dimple-type heat exchanger in axial piston pump // AIP Advances. 2022. Vol. 12. No. 4. P. 045312-045312. https://doi.org/10.1063/5.0087958
7. Li R., He Y.L., Chu P., Lei Y.G. Numerical Simulation of Dimpled Tubes for Heat Transfer Enhancement // Journal of Engineering Thermophysics. 2008. Vol. 11. P. 1947–1949. https://caod.oriprobe.com/articles/16173537/NUMERICAL_SIMULATION_OF_DIMLED_TUBES_FOR_HEAT_TRAN.htm
8. Исаев С.А., Леонтьев А.И., Баранов П.А., Попов И.А., Щелчков А.В., Габдрахманов И.Р. Численное моделирование интенсификации теплообмена в плоскопараллельном канале с цилиндрической неглубокой лункой на нагретой стенке // Инженерно-физический журнал. 2016. Т. 89. № 5. С. 1195.
9. Isaev S.A., Schelchkov A.V., Leontiev A.I., Gortyshov Yu.F., Baranov P.A., Popov I.A. Tornado-like Heat Transfer Enhancement in the Narrow Plane-parallel Channel with the Oval-trench Dimple of Fixed Depth and Spot Area // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2017. Vol. 109. P. 40. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.01.103
10. Isaev S., Leontiev A., Chudnovsky Y., Nikushchenko D., Popov I., Sudakov A. Simulation of Vortex Heat Transfer Enhancement in the Turbulent Water Flow in the Narrow Plane-parallel Channel with an Inclined Oval-trench Dimple of Fixed Depth and Spot Area // En-ergies. 2019. Vol. 12. No. 1296. P. 1. https://doi.org/10.3390/en12071296
11. Исаев С.А., Леонтьев А.И., Баранов П.А., Усачов А.Е. Бифуркация вихревого турбулентного течения и интенсификация теплообмена в лунке // Докл. РАН. 2000. Т. 373. № 5. С. 615.
12. Acharya S., Zhou F. Experimental and Computational Study of Heat/Mass Transfer and Flow Structure for Four Dimple Shapes in a Square Internal Passage // ASME Journal of Turbomachinery. 2012. Vol. 134. No. 6. 061028. https://doi.org/10.1115/1.4006315
13. Rad H.S., Mousavi S.M., Sarmadian A. Comparative study on the thermal–hydraulic per-formance of tubes enhanced with three different types of teardrop protrusions // Applied Thermal Engineering. 2024. Vol. 236. 121682. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2023.121682
14. Deeb R. Enhancing heat exchanger performance through hybrid angle of attack control for drop tubes // Physics of Fluids. 2023. Vol. 35. 085122. https://doi.org/10.1063/5.0160385
15. Deeb R. New correlations for predicting convective heat transfer of single and multi-row heat exchangers employing staggered drop tubes // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2023. Vol. 202. 123689. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2022.123689
16. Deeb R. Correlations and numerical analysis of thermal-hydraulic performance of staggered mixed tube bundle composed of circular and drop tubes // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2022. Vol. 199. 123487. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2022.123487
17. Sayed A. et al. Heat transfer characteristics of staggered wing-shaped tubes bundle at dif-ferent angles of attack // Heat and Mass Transfer. 2014. Vol. 50. P. 1091–1102. https://doi.org/10.1007/s00231-014-1323-3
18. Rao Y., Li B., Feng Y. Heat transfer of turbulent flow over surfaces with spherical dimples and teardrop dimples // Experimental Thermal and Fluid Science. 2015. Vol. 61. P. 201-209. https://doi.org/10.1016/j.expthermflusci.2014.10.030
19. ANSYS, Inc. ANSYS FLUENT 12.0 User’s Guide. 2009.
20. Blasius H. Das Aehnlichkeitsgesetz bei Reibungsvorgängen in Flüssigkeiten // Mitteilungen über Forschungsarbeiten auf dem Gebiete des Ingenieurwesens. 1913. Vol. 131. https://doi.org/10.1007/978-3-662-02239-9_1