Дослідження впливу часткового гофрування на розвиток вихрових утворень в трубі при перехідних числах Рейнольдса

Abstract

На даний час існує велика кількість досліджень, присвячена оцінці різних видів структурування поверхні з метою отримання найменшого гідравлічного опору та/або найбільшого теплообміну. Зазвичай дослідження проводяться в певних діапазонах фізичних та геометричних параметрів шляхом перебору їх різних поєднань. Це доволі трудомісткий шлях, який займає багато часу та ресурсів. В даній роботі робиться спроба за вихідну точку обрати власні параметри потоку. Саме спираючись на форму та параметри власних збурень в потоці пропонується форма і геометричні характеристики розвинення поверхні. Часткове структурування обтічної поверхні дозволяє нав’язати лише певні зміни у природньому процесі розвитку збурень повністю його не змінюючи. Дослідження присвячено вивченню характеристик течії в гладкій трубі та трубі із гофрованими вставками. Комп’ютерне моделювання проводиться при перехідному числі Рейнольдса і за умов неізотермічності течії. Виконується пряме чисельне моделювання без застосування моделей турбулентності. На першому етапі проведено дослідження течії в гладкій трубі. Основну увагу приділено аналізу зародження та розвитку вихрових утворень, явищу втрати стійкості в потоці. Проаналізовано довжини хвиль збурень, амплітуди, відстань, на якій зароджуються та існують структуровані вихрові утворення згідно характерних етапів розвитку збурень. На другому етапі дослідження проведено порівняння із трубами з різними гофрованими вставками. Виявлено вплив довжини хвилі гофрування. Так, короткохвильове, у порівнянні із локальною довжиною хвиль власних збурень, гофрування може виступати як турбулізатор. В той же час, залежно від місця розташування, довгохвильове гофрування може надавати регуляризуючу дію і навіть затяг-нути процес переходу. Також проаналізовано доцільність розташування двох гофрованих вставок заданої геометрії. Currently, a significant number of studies are dedicated to evaluating various types of surface structuring aimed at achieving minimal hydraulic resistance and/or maximal heat transfer. Typically, such studies are conducted within certain ranges of physical and geometrical parameters by iterating through different combinations. This is a rather labor-intensive approach that requires considerable time and resources.In the present work, an attempt is made to use the inherent flow parameters as a starting point. Based on the form and characteristics of the natural disturbances in the flow, a corresponding shape and geometric configuration of surface development is proposed. Partial structuring of the streamlined surface allows for the imposition of specific modifications to the natural process of disturbance development without completely altering it. The study focuses on analyzing the flow characteristics in a smooth pipe and in a pipe with corrugated inserts. Computational simulations are carried out at transitional Reynolds numbers under non-isothermal flow conditions. Direct numerical simulation (DNS) is performed without employing turbulence models. In the first stage, the flow in a smooth pipe is investigated. The main focus is on the analysis of the onset and development of vortex structures, as well as the phenomenon of flow instability. The wavelengths, amplitudes, and distances at which structured vortex formations originate and exist are analyzed according to the characteristic stages of disturbance development. In the second stage, a comparison is made with pipes containing various corrugated inserts. The influence of the corrugation wavelength is identified. For example, short-wavelength corrugation – relative to the local wavelength of the inherent flow disturbances – can act as a turbulizer. At the same time, depending on the location, long-wavelength corrugation can have a regularizing effect and even delay the transition process. Additionally, the feasibility of placing two corrugated inserts of a given geometry is analyzed.