ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Эффективный теплообмен (HT) играет важную роль в широком спектре технических приложений, включая системы теплоэнергетики, процессы химической промышленности, энергетическое оборудование и системы HVAC (отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха). Повышение эффективности теплообмена в трубах круглого сечения является актуальной задачей, особенно в контексте разработки методов, направленных на интенсификацию турбулентности и модификацию структуры пристенных термических пограничных слоев. Цель работы. Данная работа посвящена комплексному исследованию влияния искусственной шероховатости поверхности труб круглого сечения на интенсификацию конвективного теплообмена. В рамках исследования оценивается влияние шероховатости поверхности, пульсаций потока, числа Рейнольдса (Re) и теплового потока (Q) на теплообменные характеристики. Методы исследования. Для анализа термогидродинамических процессов в трубе применялся комбинированный подход, включающий экспериментальные исследования и методы вычислительной гидродинамики (CFD). Экспериментальные исследования проводились в лабораторных условиях. CFD-моделирование использовалось для детального изучения распределений температуры, полей скорости и давления, турбулентной кинетической энергии (TKE), вихревых структур, коэффициента турбулентной вязкости, локального коэффициента теплоотдачи (h) и числа Нуссельта (Nu). С целью интенсификации теплообмена изучалось воздействие синусоидальных пульсаций, накладываемых на входной и выходной потоки, с варьированием частоты (f) и амплитуды (A) колебаний в диапазоне турбулентного режима течения (6753 ≤ Re ≤ 31 000). Результаты и обсуждение. Установлено, что шероховатость поверхности приводит к увеличению интенсивности теплообмена за счет генерации дополнительной турбулентности и дестабилизации термического пограничного слоя. Подтверждена значимая роль турбулентной кинетической энергии (TKE) в интенсификации теплообмена, проявляющаяся в корреляции между повышенными значениями TKE и увеличением коэффициента теплоотдачи. Показано, что применение пульсаций потока позволяет дополнительно увеличить эффективность теплообмена: введение пульсаций на выходе приводит к увеличению числа Nu на 20–22 %, а на входе – на 16–19 % относительно базового случая (без пульсаций). Полученные результаты демонстрируют перспективность комбинированного использования шероховатой поверхности и контролируемых пульсаций потока для оптимизации процессов теплопередачи. Данный подход может быть эффективно применен при проектировании компактных и высокоэффективных теплообменных аппаратов для различных отраслей промышленности.

1. Ye Q., Zhang Y., Wei J. A comprehensive review of pulsating flow on heat transfer enhancement // Applied Thermal Engineering. – 2021. – Vol. 196. – P. 117275. – DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2021.117275.

2. Numerical investigation on flow and heat transfer of pulsating flow in various ribbed channels / B. Yang, T. Gao, J. Gong, J. Li // Applied Thermal Engineering. – 2018. – Vol. 145. – P. 576–589. – DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2018.09.041.

3. Experimental and numerical study on heat transfer enhancement by flow-induced vibration in pulsating flow / D. Duan, Y. Cheng, M. Ge, W. Bi, P. Ge, X. Yang // Applied Thermal Engineering. – 2022. – Vol. 207. – P. 118171. – DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2022.118171.

4. An experimental investigation on heat transfer performance of pulsating heat pipe / F. Shang, S. Fan, Q. Yang, J. Liu // Journal of Mechanical Science and Technology. – 2020. – Vol. 34. – P. 425–433. – DOI: 10.1007/s12206-019-1241-x.

5. Ganapathy V. Steam generators and waste heat boilers: For process and plant engineers. – Boca Raton: CRC Press, 2014. – 539 p. – ISBN 9781138077683.

6. Zohuri B. Application of compact heat exchangers for combined cycle driven efficiency in next generation nuclear power plants: A novel approach. – Cham: Springer Nature Link, 2015. – 366 p. – eISBN 978-3-319-23537-0. – DOI: 10.1007/978-3-319-23537-0.

7. Trigeneration in the food industry / J. Bassols, B. Kuckelkorn, J. Langreck, R. Schneider, H. Veelken // Applied Thermal Engineering. – 2002. – Vol. 22 (6). – P. 595–602. – DOI: 10.1016/S1359-4311(01)00111-9.

8. Šalic A., Tušek A., Zelic B. Application of microreactors in medicine and biomedicine // Journal of Applied Biomedicine. – 2012. – Vol. 10 (3). – P. 137–153. – DOI: 10.2478/v10136-012-0011-1.

9. Review on thermal energy storage with phase change materials and applications / A. Sharma, V. Tyagi, C. Chen, D. Buddhi // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2009. – Vol. 13 (2). – P. 318–345. – DOI: 10.1016/j.rser.2007.10.005.

10. Ameen A. Refrigeration and air conditioning. – PHI Learning Pvt. Ltd., 2006. – 512 p. – ISBN 8120326717. – ISBN 978-8120326712.

11. Parametric studies on automotive radiators / C. Oliet, A. Oliva, J. Castro, C. Pérez-Segarra // Applied Thermal Engineering. – 2007. – Vol. 27 (11). – P. 2033–2043. – DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2006.12.006.

12. Encyclopedia of agricultural, food, and biological engineering / ed. by D. Heldman and C.E. Moraru. – 2nd ed. – Boca Raton: CRC Press, 2010. – DOI: 10.1201/9780429257599.

13. Coker A.K. Introduction // Coker A.K. Petroleum refining design and application handbook. Vol. 1. – John Wiley & Sons, 2018. – Ch. 1. – ISBN 978-1-119-25710-3. – DOI: 10.1002/9781119257110.ch1.

14. Coker A.K. Thermodynamic properties of petroleum and petroleum fractions // Coker A.K. Petroleum refining design and applications handbook. Vol. 1. – John Wiley & Sons, 2018. – Ch. 4. – P. 63–110. – DOI: 10.1002/9781119257110.ch4.

15. Beddoes J., Bibby M. Principles of metal manufacturing processes. – Butterworth-Heinemann, 1999. – DOI: 10.1016/B978-0-340-73162-8.X5000-0.

16. Accurately predicting turbulent heat transfer over rough walls: a review of measurement equipment and methods / W. Abu Rowin, Y. Xia, S. Wang, N. Hutchins // Experiments in Fluids. – 2024. – Vol. 65. – P. 86. – DOI: 10.1007/s00348-024-03812-1.

17. Qu W., Ma H.B. Theoretical analysis of startup of a pulsating heat pipe // International Journal of Heat and Mass Transfer. – 2007. – Vol. 50 (11–12). – P. 2309–2316. – DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2006.10.043.

18. Study on heat transfer characteristics of ethane pulsating heat pipe in middle-low temperature region / X. Chen, Y. Lin, S. Shao, W. Wu // Applied Thermal Engineering. – 2019. – Vol. 152. – P. 697–705. – DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2019.02.125.

19. Numerical investigation of heat transfer in structured rough microchannels subjected to pulsed flow / S. Singh, S.K. Singh, H.S. Mali, R. Dayal // Applied Thermal Engineering. – 2021. – Vol. 197. – P. 117361. – DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2021.117361.

20. Turbulent flow field and heat transfer in a heated circular channel under a reciprocating motion / H.-W. Wu, R. Lay, C. Lau, W.-J. Wu // Heat and Mass Transfer. – 2004. – Vol. 40 (10). – P. 769–778. – DOI: 10.1007/s00231-003-0464-6.

21. Lin T.-Y., Kandlikar S.G. An experimental investigation of structured roughness effect on heat transfer during single-phase liquid flow at microscale // Journal of Heat Transfer. – 2012. – Vol. 134. – P. 101701. – DOI: 10.1115/1.4006844.

22. Effects of surface roughness in microchannel with passive heat transfer enhancement structures / H. Lu, M. Xu, L. Gong, X. Duan, J.C. Chai // International Journal of Heat and Mass Transfer. – 2020. – Vol. 148. – P. 119070. – DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2019.119070.

23. Croce G., D’agaro P., Nonino C. Three-dimensional roughness effect on microchannel heat transfer and pressure drop // International Journal of Heat and Mass Transfer. – 2007. – Vol. 50 (25). – P. 5249–5259. – DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2007.06.021.

24. Gerrard J.H. An experimental investigation of pulsating turbulent water flow in a tube // Journal of Fluid Mechanics. – 1971. – Vol. 46 (1). – P. 43–64. – DOI: 10.1017/S0022112071000399.

25. Clamen M., Minton P. An experimental investigation of flow in an oscillating pipe // Journal of Fluid Mechanics. – 1977. – Vol. 81 (3). – P. 421–431. – DOI: 10.1017/S0022112077002146.

26. Shemer L., Wygnanski I., Kit E. Pulsating flow in a pipe // Journal of Fluid Mechanics. – 1985. – Vol. 153. – P. 313–337. – DOI: 10.1017/S0022112085001276.

27. Eckmann D.M., Grotberg J.B. Experiments on transition to turbulence in oscillatory pipe flow // Journal of Fluid Mechanics. – 1991. – Vol. 222. – P. 329–350. – DOI: 10.1017/S002211209100112X.

28. Pressure and velocity distributions in pulsating turbulent pipe flow. Part 2. Experimental investigations / M. Ohmi, T. Usui, O. Tanaka, M. Toyoma // Bulletin of JSME. – 1976. – Vol. 19 (134). – P. 951–957. – DOI: 10.1299/jsme1958.19.951.

29. Iguchi M., Park G., Koh Y. The structure of turbulence in pulsatile pipe flows // KSME Journal. – 1993. – Vol. 7. – P. 185–193. – DOI: 10.1007/BF02970963.

30. Hydrodynamics and heat transfer with pulsating fluid flow in tubes / L. Genin, A. Koval, S. Manachkha, V. Sviridov // Thermal Engineering. – 1992. – Vol. 39 (5). – P. 251–255.

31. Einav S., Sokolov M. An experimental study of pulsatile pipe flow in the transition range // Journal of Biomechanical Engineering. – 1993. – Vol. 115 (4A). – P. 404–411. – DOI: 10.1115/1.2895504.

32. Carvalho Jr J.A. Behavior of solid particles in pulsating flows // Journal of Sound and Vibration. – 1995. – Vol. 185 (4). – P. 581–593. – DOI: 10.1006/jsvi.1995.0402.

33. Lu P.-C. Discussion: “Heat Transfer for Pulsating Laminar Duct Flow” (Siegel, R., and Perlmutter, M., 1962, ASME J. Heat Transfer, 84, pp. 111–122) // Journal of Heat Transfer. – 1962. – Vol. 84. – P. 111–122. – DOI: 10.1115/1.3684308.

34. Faghri M., Javdani K., Faghri A. Heat transfer with laminar pulsating flow in a pipe // Letters in Heat and Mass Transfer. – 1979. – Vol. 6 (4). – P. 259–270. – DOI: 10.1016/0094-4548(79)90013-4.

35. Krishnan K.N., Sastri V.M.K. Heat transfer in laminar pulsating flows of fluids with temperature dependent viscosities // Wärme- und Stoffübertragung. – 1989. – Vol. 24 (1). – P. 27–42. – DOI: 10.1007/BF01599503.

36. Cho H., Hyun J. Numerical solutions of pulsating flow and heat transfer characteristics in a pipe // International Journal of Heat and Fluid Flow. – 1990. – Vol. 11 (4). – P. 321–330. – DOI: 10.1016/0142-727X(90)90056-H.

37. Kim S.Y., Kang B.H., Hyun J.M. Heat transfer from pulsating flow in a channel filled with porous media // International Journal of Heat and Mass Transfer. – 1994. – Vol. 37 (14). – P. 2025–2033. – DOI: 10.1016/0017-9310(94)90304-2.

38. Gül H. Experimental investigation of heat transfer in oscillating circular pipes: High frequencies and amplitudes // Scientific Research and Essays. – 2013. – Vol. 8 (13). – P. 524–531. – DOI: 10.5897/SRE12.721.

39. Dittus F., Boelter L. Heat transfer in automobile radiators of the tubular type // International Communications in Heat and Mass Transfer. – 1985. – Vol. 12 (1). – P. 3–22. – DOI: 10.1016/0735-1933(85)90003-X.

40. Winterton R.H.S. Technical notes: Where did the dittus and boelter equation come from? // International Journal of Heat and Mass Transfer. – 1998. – Vol. 41 (4–5). – P. 809–810. – DOI: 10.1016/S0017-9310(97)00177-4.

41. McAdams W.H. Heat transmission. – 3rd ed. – New York: McGraw-Hill, 1954. – ISBN 0070447993. – ISBN 9780070447998.

42. Bagade P.M., Bhumkar Y.G., Sengupta T.K. An improved orthogonal grid generation method for solving flows past highly cambered aerofoils with and without roughness elements // Computers and Fluids. – 2014. – Vol. 103. – P. 275–289. – DOI: 10.1016/j.compfluid.2014.07.031.

43. Experimental study of heat transfer in pulsating turbulent flow in a pipe / E.A. Elshafei, M. Safwat Mohamed, H. Mansour, M. Sakr // International Journal of Heat and Fluid Flow. – 2008. – Vol. 29 (4). – P. 1029–1038. – DOI: 10.1016/j.ijheatfluidflow.2008.03.018.

44. Cebeci T., Bradshaw P. Physical and computational aspects of convective heat transfer. – New York: Springer, 2012. – (Springer Study Edition). – DOI: 10.1007/978-1-4612-3918-5.

45. Kays W., Crawford M., Weigand B. Convective heat and mass transfer. – McGraw-Hill, 2005. – (McGraw-Hill Series in Mechanical Engineering). – ISBN 0072468769. – ISBN 978-0072468762.

46. Predicting the drag of rough surfaces / D. Chung, N. Hutchins, M. Schultz, K. Flack // Annual Review of Fluid Mechanics. – 2021. – Vol. 53. – P. 439–471. – DOI: 10.1146/annurev-fluid-062520-115127.

47. Alfarawi S., Abdel-Moneim S.A., Bodalal A. Experimental investigations of heat transfer enhancement from rectangular duct roughened by hybrid ribs // International Journal of Thermal Sciences. – 2017. – Vol. 118. – P. 123–138. – DOI: 10.1016/j.ijthermalsci.2017.04.017.

48. Turbulent flow over transitionally rough surfaces with varying roughness densities / M. MacDonald, L. Chan, D. Chung, N. Hutchins, A. Ooi // Journal of Fluid Mechanics. – 2016. – Vol. 804. – P. 130–161. – DOI: 10.1017/jfm.2016.459.

49. The influence of surface roughness on heat transfer in the transitional flow regime / M. Everts, S.R. Ayres, F.A. Mulock Houwer, C.P. Vanderwagen, N.M. Kotze, J.P. Meyer // Proceedings of the 15th International Heat Transfer Conference. – Begellhouse, 2014. – DOI: 10.1615/IHTC15.cnv.008338.

50. Meyer J., Olivier J. Transitional flow inside enhanced tubes for fully developed and developing flow with different types of inlet disturbances: Part I – Adiabatic pressure drops // International Journal of Heat and Mass Transfer. – 2011. – Vol. 54 (7). – P. 1587–1597. – DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2010.11.027.

51. Meyer J., Olivier J. Transitional flow inside enhanced tubes for fully developed and developing flow with different types of inlet disturbances: Part II – Heat transfer // International Journal of Heat and Mass Transfer. – 2011. – Vol. 54 (7). – P. 1598–1607. – DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2010.11.026.

52. The influence of artificial roughness shape on heat transfer enhancement: Corrugated tubes, dimpled tubes and wire coils / A. García, J. Solano, P. Vicente, A. Viedma // Applied Thermal Engineering. – 2012. – Vol. 35. – P. 196–201. – DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2011.10.030.

53. Mousa M.H., Miljkovic N., Nawaz K. Review of heat transfer enhancement techniques for single phase flows // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2021. – Vol. 137. – P. 110566. – DOI: 10.1016/j.rser.2020.110566.

54. Everts M., Meyer J.P. Heat transfer of developing and fully developed flow in smooth horizontal tubes in the transitional flow regime // International Journal of Heat and Mass Transfer. – 2018. – Vol. 117. – P. 1331–1351. – DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.10.071.

55. Effects of flow pulsation and surface geometry on heat transfer performance in a channel with teardrop-shaped dimples measured by transient technique / S. Kobayashi, K. Inokuma, A. Murata, K. Iwamoto // ASME Journal of Heat and Mass Transfer. – 2024. – Vol. 146. – P. 072001. – DOI: 10.1115/1.4065117.

56. Abdelfattah M., Aziz M.A., Maghrabie H.M. Numerical analysis of heat transfer and fluid flow structures of jet impingement on a flat plate with different shapes of roughness elements // Numerical Heat Transfer, Part A: Applications. – 2024. – P. 1–26. – DOI: 10.1080/10407782.2024.2379032.

57. Ansys Fluent Theory Guide. – ANSYS, Inc., 2021.

58. Nikuradse J. Laws of flow in rough pipes. – NACA, 1950. – 62 p. – (NACA Technical Memorandums; NACA-TM-1292).

59. Cebeci T., Bradshaw P. Momentum transfer in boundary layers. – Washington: Hemisphere Pub. Corp., 1977. – 407 p. – ISBN 0070103003. – ISBN 9780070103009.

60. Computational modelling and analysis of heat transfer enhancement in straight circular pipe with pulsating flow / S.V. Nishandar, A.T. Pise, P.M. Bagade, M.U. Gaikwad, A. Singh // International Journal on Interactive Design and Manufacturing (IJIDeM). – 2024. – Vol. 19 (3). – P. 1951–1969. – DOI: 10.1007/s12008-024-01907-x.

61. Двиведи Р., Соматкар А., Чинчаникар С. Моделирование и оптимизация процесса накатывания роликом Al6061-T6 для достижения минимального отклонения от круглости, минимальной шероховатости поверхности и повышения ее микротвердости // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2024. – Т. 26, № 3. – С. 52–65. – DOI: 10.17212/1994-6309-2024-26.3-52-65.