Том 27 № 3 2025 1 СОДЕРЖАНИЕ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ СОУЧРЕДИТЕЛИ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» ООО НПКФ «Машсервисприбор» ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР Батаев Анатолий Андреевич – профессор, доктор технических наук, ректор НГТУ ЗАМЕСТИТЕЛИ ГЛАВНОГО РЕДАКТОРА Иванцивский Владимир Владимирович – доцент, доктор технических наук Скиба Вадим Юрьевич – доцент, кандидат технических наук Ложкина Елена Алексеевна – редактор перевода текста на английский язык, кандидат технических наук Перепечатка материалов из журнала «Обработка металлов» возможна при обязательном письменном согласовании с редакцией журнала; ссылка на журнал при перепечатке обязательна. За содержание рекламных материалов ответственность несет рекламодатель. 16+ РЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ Председатель совета Пустовой Николай Васильевич – доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ, член Национального комитета по теоретической и прикладной механике, президент НГТУ, г. Новосибирск (Российская Федерация) Члены совета Федеративная Республика Бразилия: Альберто Морейра Хорхе, профессор, доктор технических наук, Федеральный университет, г. Сан Карлос Федеративная Республика Германия: Монико Грайф, профессор, доктор технических наук, Высшая школа Рейн-Майн, Университет прикладных наук, г. Рюссельсхайм, Томас Хассел, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен, Флориан Нюрнбергер, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен Испания: Чувилин А.Л., кандидат физико-математических наук, профессор, научный руководитель группы электронной микроскопии «CIC nanoGUNE», г. Сан-Себастьян Республика Беларусь: Пантелеенко Ф.И., доктор технических наук, профессор, член-корреспондент НАН Беларуси, Заслуженный деятель науки Республики Беларусь, Белорусский национальный технический университет, г. Минск Российская Федерация: Атапин В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Балков В.П., зам. ген. директора АО «ВНИИинструмент», канд. техн. наук, г. Москва, Батаев В.А., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Буров В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Коротков А.Н., доктор техн. наук, профессор, академик РАЕ, КузГТУ, г. Кемерово, Лобанов Д.В., доктор техн. наук, доцент, ЧГУ, г. Чебоксары, Макаров А.В., доктор техн. наук, член-корреспондент РАН, ИФМ УрО РАН, г. Екатеринбург, Овчаренко А.Г., доктор техн. наук, профессор, БТИ АлтГТУ, г. Бийск, Сараев Ю.Н., доктор техн. наук, профессор, ИФТПС СО РАН, г. Якутск, Янюшкин А.С., доктор техн. наук, профессор, ЧГУ, г. Чебоксары Журнал входит в «Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук». Полный текст журнала «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» теперь можно найти в базах данных компании EBSCO Publishing на платформе EBSCOhost. EBSCO Publishing является ведущим мировым агрегатором научных и популярных изданий, а также электронных и аудиокниг. ИЗДАЕТСЯ С 1999 г. Периодичность – 4 номера в год ИЗДАТЕЛЬ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» Журнал включен в Реферативный журнал и Базы данных ВИНИТИ. Сведения о журнале ежегодно публикуются в международной справочной системе по периодическим и продолжающимся изданиям «Ulrich’s Periodicals Directory» Журнал награжден в 2005 г. Большой Золотой Медалью Сибирской Ярмарки за освещение новых технологий, инструмента, оборудования для обработки металлов Журнал зарегистрирован 01.03.2021 г. Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор). Свидетельство о регистрации ПИ № ФС77-80400 Индекс: 70590 по каталогу OOO «УП УРАЛ-ПРЕСС» Адрес редакции и издателя: 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, Новосибирский государственный технический университет (НГТУ), корп. 5. Тел. +7 (383) 346-17-75 Сайт журнала http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Цена свободная Журнал «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» индексируется в крупнейших в мире реферативнобиблиографическихи наукометрических базах данных Web of Science и Scopus.
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 27 № 3 2025 2 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ Кондратьев В.В., Гозбенко В.Е., Кононенко Р.В., Константинова М.В., Гусева Е.А. Определение основных параметров контактной точечной сварки алюминиевого сплава АМг-5....................................................................... 6 Гвинджилия В.Е., Фоминов Е.В., Марченко А.А., Лавренова Т.В., Дебеева С.А. Влияние скорости резания на импульсные изменения температуры передней поверхности резца при точении жаропрочной стали 15Х2НМФА.......................................................................................................................................................................... 23 Карелин Р.Д., Комаров В.С., Черкасов В.В., Осокин А.А., Сергиенко К.В., Юсупов В.С., Андреев В.А. Получение прутков и листов из сплава TiNiHf с высокотемпературным эффектом памяти формы методами продольной прокатки и ротационной ковки................................................................................................................................... 37 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Заковоротный В.Л., Гвинджилия В.Е., Кислов К.В. Информационные свойства виброакустической эмиссии в системах диагностики износа режущего инструмента................................................................................................. 50 Жуков А.С., Ардашев Д.В., Батуев В.В., Кулыгин В.Л., Шулежко Е.И. Модальный анализ шлифовальных кругов различных характеристик для определения их интегральных упругих показателей....................................... 71 Нишандар С.В., Пайс А.Т., Багаде П.М. Численное и экспериментальное исследование интенсификации теплообмена в трубах с шероховатой поверхностью....................................................................................................... 87 Носенко В.А., Ривас Перес Д.Э., Александров А.А., Саразов А.В. Влияние способа измельчения на коэффициент формы зерен карбида кремния черного................................................................................................................. 108 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Карлина Ю.И., Конюхов В.Ю., Опарина Т.А. Исследование процесса поверхностного обезуглероживания стали 20 после цементации и термической обработки.............................................................................................. 122 Ковалевская Ж.Г., Лю Ю. Влияние термической обработки на строение и свойства высокоэнтропийного сплава AlCoCrFeNiNb0.25............................................................................................................................................................... 137 Сирота В.В., Прохоренков Д.С., Чуриков А.С., Подгорный Д.С., Алфимова Н.И., Коннов А.В. Коррозионные свойства покрытий из самофлюсующихся порошков, полученных методом детонационного напыления........ 151 Филиппов А.В., Шамарин Н.Н., Тарасов С.Ю., Семенчук Н.А. Влияние структурного состояния на механические и трибологические свойства бронзы системы Cu-Al-Si-Mn.......................................................................... 166 Вахеед Ф., Каюм А., Ширази М.Ф. Изготовление, описание и оценка эффективности материала на основе нанографита, легированного оксидом цинка, в качестве датчика влажности............................................................... 183 Долгова С.В., Маликов А.Г., Голышев А.А., Никулина А.А. Особенности строения градиентных слоев «сталь – Inconel – сталь», полученных методом прямого лазерного выращивания..................................................... 205 Бурков А.А., Дворник М.А., Кулик М.А., Быцура А.Ю. Влияние гранулометрии порошка карбида вольфрама на характеристики металлокерамических покрытий WC/Fe-Ni-Al............................................................................... 221 Патил С., Чинчаникар С. Исследование механических свойств нанокомпозитов на основе сплава Al7075-T6, полученных методом механического замешивания частиц в расплав, с микроструктурным и фрактографическим анализом поверхности........................................................................................................................................................ 236 МАТЕРИАЛЫ РЕДАКЦИИ 252 МАТЕРИАЛЫ СОУЧЕРЕДИТЕЛЕЙ 263 Корректор Е.Е. Татарникова Художник-дизайнер А.В. Ладыжская Компьютерная верстка Н.В. Гаврилова Налоговая льгота – Общероссийский классификатор продукции Издание соответствует коду 95 2000 ОК 005-93 (ОКП) Подписано в печать 08.09.2025. Выход в свет 15.09.2025. Формат 60×84 1/8. Бумага офсетная. Усл. печ.л. 33,0. Уч.-изд. л. 61,38. Изд. № 121. Заказ 199. Тираж 300 экз. Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Vol. 27 No. 3 2025 3 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL BOARD EDITOR-IN-CHIEF: Anatoliy A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Rector, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation DEPUTIES EDITOR-IN-CHIEF: Vladimir V. Ivancivsky, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Vadim Y. Skeeba, Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Editor of the English translation: Elena A. Lozhkina, Ph.D. (Engineering), Department of Material Science in Mechanical Engineering, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation The journal is issued since 1999 Publication frequency – 4 numbers a year Data on the journal are published in «Ulrich's Periodical Directory» Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working and Material Science”) has been Indexed in Clarivate Analytics Services. Novosibirsk State Technical University, Prospekt K. Marksa, 20, Novosibirsk, 630073, Russia Tel.: +7 (383) 346-17-75 http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Journal “Obrabotka Metallov – Metal Working and Material Science” is indexed in the world's largest abstracting bibliographic and scientometric databases Web of Science and Scopus. Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working & Material Science”) has entered into an electronic licensing relationship with EBSCO Publishing, the world's leading aggregator of full text journals, magazines and eBooks. The full text of JOURNAL can be found in the EBSCOhost™ databases.
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 27 No. 3 2025 4 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL COUNCIL CHAIRMAN: Nikolai V. Pustovoy, D.Sc. (Engineering), Professor, President, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation MEMBERS: The Federative Republic of Brazil: Alberto Moreira Jorge Junior, Dr.-Ing., Full Professor; Federal University of São Carlos, São Carlos The Federal Republic of Germany: Moniko Greif, Dr.-Ing., Professor, Hochschule RheinMain University of Applied Sciences, Russelsheim Florian Nürnberger, Dr.-Ing., Chief Engineer and Head of the Department “Technology of Materials”, Leibniz Universität Hannover, Garbsen; Thomas Hassel, Dr.-Ing., Head of Underwater Technology Center Hanover, Leibniz Universität Hannover, Garbsen The Spain: Andrey L. Chuvilin, Ph.D. (Physics and Mathematics), Ikerbasque Research Professor, Head of Electron Microscopy Laboratory “CIC nanoGUNE”, San Sebastian The Republic of Belarus: Fyodor I. Panteleenko, D.Sc. (Engineering), Professor, First Vice-Rector, Corresponding Member of National Academy of Sciences of Belarus, Belarusian National Technical University, Minsk The Russian Federation: Vladimir G. Atapin, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Victor P. Balkov, Deputy general director, Research and Development Tooling Institute “VNIIINSTRUMENT”, Moscow; Vladimir A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Vladimir G. Burov, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Aleksandr N. Korotkov, D.Sc. (Engineering), Professor, Kuzbass State Technical University, Kemerovo; Dmitry V. Lobanov, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary; Aleksey V. Makarov, D.Sc. (Engineering), Corresponding Member of RAS, Head of division, Head of laboratory (Laboratory of Mechanical Properties) M.N. Miheev Institute of Metal Physics, Russian Academy of Sciences (Ural Branch), Yekaterinburg; Aleksandr G. Ovcharenko, D.Sc. (Engineering), Professor, Biysk Technological Institute, Biysk; Yuriy N. Saraev, D.Sc. (Engineering), Professor, V.P. Larionov Institute of the Physical-Technical Problems of the North of the Siberian Branch of the RAS, Yakutsk; Alexander S. Yanyushkin, D.Sc. (Engineering), Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary
Vol. 27 No. 3 2025 5 CONTENTS OBRABOTKAMETALLOV TECHNOLOGY Kondratiev V.V., Gozbenko V.E., Kononenko R.V., Konstantinova M.V., Guseva E.A. Determination of the main parameters of resistance spot welding of Al-5 Mg aluminum alloy..................................................................................... 6 Gvindjiliya V.E., Fominov E.V., Marchenko A.A., Lavrenova T.V., Debeeva S.A. Infl uence of cutting speed on pulse changes in the temperature of the front cutter surface during turning of heat-resistant steel 0.17 C-Cr-Ni-0.6 Mo-V................................................................................................................................................................ 23 Karelin R.D., Komarov V.S., Cherkasov V.V., OsokinA.A., Sergienko K.V., Yusupov V.S., Andreev V.A. Production of rods and sheets from TiNiHf alloy with high-temperature shape memory eff ect by longitudinal rolling and rotary forging methods.................................................................................................................................................................... 37 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Zakovorotny V.L., Gvindjiliya V.E., Kislov K.V. Information properties of vibroacoustic emission in diagnostic systems for cutting tool wear................................................................................................................................................ 50 Zhukov A.S., Ardashev D.V., Batuev V.V., Kulygin V.L., Schuleshko E.I. Modal analysis of various grinding wheel types for the evaluation of their integral elastic parameters...................................................................................... 71 Nishandar S.V., Pise A.T., Bagade P.M. Numerical and experimental investigation of heat transfer augmentation in roughened pipes................................................................................................................................................................ 87 Nosenko V.A., Rivas Perez D.E., Alexandrov A.A., Sarazov A.V. The eff ect of the grinding method on the grain shape coeffi cient of black silicon carbide....................................................................................................................................... 108 MATERIAL SCIENCE Karlina Yu.I., Konyukhov V.Yu., Oparina T.A. Investigation of the process of surface decarburization of steel 20 after cementation and heat treatment.................................................................................................................................. 122 Kovalevskaya Z.G., Liu Y. Eff ect of heat treatment on the structure and properties of high-entropy alloy AlCoCrFeNiNb0.25............................................................................................................................................................. 137 Sirota V.V., Prokhorenkov D.S., Churikov A.S., Podgorny D.S., Alfi mova N.I., Konnov A.V. Corrosion properties of coatings produced from self-fl uxing powders by the detonation spraying method............................................................ 151 Filippov A.V., Shamarin N.N., Tarasov S.Yu., Semenchyuk N.A. The infl uence of structural state on the mechanical and tribological properties of Cu-Al-Si-Mn bronze............................................................................................................. 166 Waheed F., Qayoom A., Shirazi M.F. Fabrication, characterization and performance evaluation of zinc oxide doped nanographite material as a humidity sensor......................................................................................................................... 183 Dolgova S.V., Malikov A.G., Golyshev A.A., Nikulina A.A. Features of the structure of gradient layers «steel - Inconel - steel», obtained by laser direct metal deposition.................................................................................................. 205 Burkov A.A., Dvornik M.A., Kulik M.A., Bytsura A.Yu. The infl uence of tungsten carbide particle size on the characteristics of metalloceramic WC/Fe-Ni-Al coatings.................................................................................................... 221 Patil S., Chinchanikar S. Investigation on the mechanical properties of stir-cast Al7075-T6-based nanocomposites with microstructural and fractographic surface analysis...................................................................................................... 236 EDITORIALMATERIALS 252 FOUNDERS MATERIALS 263 CONTENTS
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 27 № 3 2025 87 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Численное и экспериментальное исследование интенсификации теплообмена в трубах с шероховатой поверхностью Сиддханатх Нишандар 1, a, Ашок Пайс 1, b, Прамодкумар Багаде 2, c, * 1 Кафедра машиностроения, Государственный инженерный колледж Карада, Университет Шиваджи, Колхапур, Махараштра, 445414, Индия 2 Кафедра машиностроения, Инженерно-исследовательский колледж имени Бхиварабаи Саванта (BSCOER) Общества технической и социальной научной миссии (TSSM), Нархе, Пуна, Махараштра, 445414, Индия a https://orcid.org/0000-0001-6190-3412, siddhant.nishandar04@gmail.com; b https://orcid.org/0009-0003-0276-8996, ashokpise@gmail.com; c https://orcid.org/0000-0002-4069-1542, pramodbagade@gmail.com Obrabotka metallov - Metal Working and Material Science Journal homepage: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov Obrabotka metallov (tekhnologiya, oborudovanie, instrumenty) = Metal Working and Material Science. 2025 vol. 27 no. 3 pp. 87–107 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2025-27.3-87-107 ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 536.25:621.176.3 История статьи: Поступила: 23 июня 2025 Рецензирование: 04 июля 2025 Принята к печати: 10 июля 2025 Доступно онлайн: 15 сентября 2025 Ключевые слова: Интенсификация теплообмена Шероховатость поверхности Турбулентная кинетическая энергия (ТКЕ) Пульсирующий поток Турбулентный поток Число Нуссельта (Nu) АННОТАЦИЯ 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. Для цитирования: Нишандар С.В., Пайс А.Т., Багаде П.М. Численное и экспериментальное исследование интенсификации теплообмена в трубах с шероховатой поверхностью // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2025. – Т. 27, № 3. – С. 87–107. – DOI: 10.17212/1994-6309-2025-27.3-87-107. ______ *Адрес для переписки Багаде Прамодкумар М., к.т.н., профессор Кафедра машиностроения, Инженерно-исследовательский колледж им. Бхиварабаи Саванта (BSCOER) Общества технической и социальной научной миссии (TSSM), Нархе, Пуна, 445414, Махараштра, Индия Тел.: +91 9075279575, e-mail: pramodbagade@gmail.com Введение Для повышения эффективности теплообменников при одновременной минимизации их размеров и эксплуатационных расходов активно изучается широкий спектр методов интенсификации теплообмена. Эти методы традиционно подразделяются на пассивные и активные. Пассивные методы, такие как использование
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 27 № 3 2025 88 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ оребренных труб или труб с винтовой накаткой, направлены на интенсификацию теплообмена за счет генерации турбулентности в пристеночной области, что приводит к уменьшению толщины теплового пограничного слоя и увеличению коэффициента теплоотдачи. Простота реализации и отсутствие дополнительных энергозатрат обусловили растущий интерес к пассивным методам в последние годы. Активные методы, напротив, используют внешние источники энергии, включая пульсации потока, струйное воздействие, механические вибрации и электростатические поля, для улучшения характеристик теплообмена. Значительный потенциал для интенсификации теплообмена заключается в применении пульсирующих потоков. В условиях как ламинарного, так и турбулентного режима пульсации потока могут вызывать периодическое разрушение пограничного слоя, уменьшая термическое сопротивление и повышая локальный коэффициент теплоотдачи, особенно в условиях вынужденной конвекции. Пульсирующий поток существенно влияет на силы сдвига, характеристики пограничного слоя и общее термическое сопротивление. Таким образом, исследования конвективного теплообмена в условиях пульсирующего потока представляют значительный интерес. Во многих инженерных системах встречаются естественные пульсирующие потоки: – вихревая турбулентность – хаотичные возмущения, присущие турбулентному потоку и приводящие к флуктуациям скорости и давления; – турбомашины – периодические изменения давления и скорости на лопатках компрессоров и турбин, обусловленные вращением ротора и взаимодействием потока с лопатками; – нестационарные потоки – изменения, вызванные колебаниями рабочих параметров системы. Практическое применение пульсирующих потоков: – поршневые двигатели внутреннего сгорания. Впускные и выпускные системы характеризуются периодическими изменениями потока, обусловленными циклами работы двигателя; – газотурбинные двигатели. Колебания потока, вызванные режимом помпажа; – нагнетательные насосы. Принцип работы этих насосов основан на создании пульсирующего потока; – поток воздуха, который спонтанно пульсирует, как часть человеческого дыхания. Несмотря на то что пульсирующие потоки иногда рассматриваются как источник возмущений, они могут быть использованы для интенсификации процессов – например, для улучшения смешения топлива и воздуха в камерах сгорания. Результаты исследований, представленные в литературе, неоднозначны: одни работы демонстрируют улучшение теплообмена, другие – отсутствие эффекта или даже ухудшение. На эффективность теплообмена в условиях пульсирующего потока оказывает влияние геометрия поверхности теплообмена, расположение источника пульсаций, число Рейнольдса (Re), число Прандтля (Pr), частота пульсации (f) и амплитуда пульсации (A). Описание проблемы Механизмы теплообмена в пульсирующих потоках, особенно на шероховатых поверхностях, изучены недостаточно. Существующие исследования часто ограничиваются узким диапазоном параметров и не позволяют выявить комплексное влияние различных факторов. В частности, требуются дополнительные исследования для установления взаимосвязи между расположением источника пульсаций, характеристиками шероховатости поверхности (высотой, шагом и формой неровностей), числом Рейнольдса и частотой пульсаций на структуру турбулентного потока и характеристики теплопередачи. Цели Настоящее исследование проводится со следующими целями. 1. Экспериментальное и численное исследование влияния параметров пульсирующего потока, геометрии поверхности и гидродинамических режимов на структуру потока и характеристики теплообмена. 2. Разработка эмпирических корреляций, связывающих параметры пульсирующего потока, геометрию поверхности и гидродинамические режимы с наблюдаемой динамикой потока и коэффициентом теплоотдачи. 3. Анализ влияния направления пульсации относительно поверхности теплообмена на структуру потока и характеристики теплообмена.
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 27 No. 3 2025 89 EQUIPMENT. INSTRUMENTS 4. Сравнительный анализ характеристик теплообмена в условиях пульсирующего и стационарного потока. Область применения и значимость исследования Конвективный теплообмен является критически важным процессом для широкого спектра инженерных систем – от энергетических установок до микроэлектроники. Хотя пульсирующие потоки демонстрируют значительный потенциал для интенсификации теплообмена (ТО), наблюдается дефицит исследований, посвященных их применению в тепловых системах (в частности, в элементах трубной арматуры теплообменников). Глубокое понимание термогидродинамических характеристик пульсирующего потока является необходимым условием для повышения эффективности теплопередачи, что, в свою очередь, ведет к оптимизации энергетических характеристик оборудования. Настоящая работа направлена на устранение существующего пробела в знаниях путем детального изучения конвективного теплообмена в круглых трубах при воздействии синусоидальной пульсации потока. Акцент сделан на определении влияния параметров пульсации (амплитуды, частоты) на тепловые и гидравлические характеристики потока. В дальнейшем предполагается расширение области исследований, в том числе исследование труб различной геометрии и несинусоидальных законов пульсации, не охваченных в данной работе. Теплообмен при пульсирующем потоке находит применение во многих отраслях промышленности, включая (но не ограничиваясь) термоэлектрическую и атомную энергетику [5, 6], пищевую промышленность [7], фармацевтику [8], интеллектуальные здания [9], системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC) [10], транспорт [11], сельское хозяйство [12], нефтехимию [13], обработку материалов [14] и массовое производство [15]. Повышение эффективности теплообмена стимулировало развитие прогрессивных конструкций теплообменников, таких как каналы сложной формы и компактные трубы. Эти разработки, направленные на оптимизацию объемной плотности мощности и снижение материалоемкости, не должны приводить к снижению эксплуатационных характеристик. В частности, исследования направлены на интенсификацию теплообмена за счет модификации поверхности. Ровин и др. (Rowin et al.) [16] провели исследование, посвященное прогнозированию теплообмена на шероховатых поверхностях, уделяя особое внимание разработке корреляций для расчета коэффициентов теплоотдачи в условиях турбулентного потока. Ку и др. (Qu et al.) [17] продемонстрировали, что искусственная шероховатость внутренних поверхностей капиллярных трубок значительно улучшает запуск и стабилизирует работу микропульсирующих тепловых трубок (МПТТ). Авторы отмечают влияние поверхностного натяжения, вязкости жидкости и параметров шероховатости стенок на гидравлическое сопротивление, что может ограничивать стабильную работу МПТТ фиксированного диаметра при определенных режимах пульсации [18]. Сингх и др. (Singh et al.) [19] исследовали влияние упорядоченной шероховатости и пульсирующего потока в микроканалах посредством 2D-моделирования. Усиленная вихревая активность, вызванная пульсацией, приводила к увеличению числа Нуссельта (Nu) до 32,76 % независимо от параметров шероховатости. Было установлено, что оптимальная частота пульсации зависит от гидравлического диаметра канала, а шероховатость поверхности приводит к увеличению гидравлических потерь даже при улучшении теплообмена. Ву и Ченг (Wu и Cheng) [20] наблюдали колебания числа Nu в трапециевидных кремниевых микроканалах с переменной геометрией. Лин и др. (Lin et al.) [21] обнаружили, что высота шероховатости в диапазоне от 18 до 96 мкм улучшает теплообмен в мини-каналах, заполненных водой. Лю и др. (Lu et al.) [22] подтвердили, что шероховатость увеличивает гидравлическое сопротивление и число Nu в ламинарных микроканальных потоках. Цроце и др. (Croce et al.) [23] показали, что форма шероховатости оказывает большее влияние на гидравлические потери, чем на число Nu. Несмотря на значительный объем исследований в области динамики пульсирующего потока, фундаментальные механизмы теплообмена в таких условиях остаются не до конца изученными [24–32]. Аналитические и численные исследования в ламинарном режиме [33–37] указывают на
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 27 № 3 2025 90 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ локализацию эффектов теплообмена, при этом колебания числа Nu, вызванные пульсациями, наиболее выражены вблизи входа в трубу и постепенно ослабевают по мере продвижения потока. Методология На рис. 1 представлена экспериментальная установка. Тестовым участком служила медная труба длиной 400 мм и внутренним диаметром 28 мм. Для минимизации механических напряжений труба крепилась к системе посредством гибких соединений на обоих концах. Температура внешней поверхности трубы измерялась четырьмя термопарами K-типа, расположенными в осевых канавках и подключенными к многоканальному регистратору данных через мультиплексор. Равномерный тепловой поток на тестовом участке обеспечивался нихромовым нагревателем длиной 400 мм (удельное сопротивление 15,5 Ом/м). Для создания турбулентного режима течения использовался центробежный вентилятор (1,5 л.с., производительность 800 куб. футов/мин). Пульсации потока воздуха создавались с помощью электроуправляемого соленоидного клапана. Рабочие параметры определялись на основе измерений статического давления, температуры и числа Рейнольдса (Re). Рис. 2. Клапан регулирования потока Fig. 2. Flow control valve Рис. 1. Экспериментальная установка Fig. 1. Experimental set up Регулирование пульсирующего потока осуществлялось латунным клапаном 3/4 дюйма (12 В DC, 1,5 А / 18 Вт, диаметр отверстия 25 мм, обычно закрытый, компоненты из нержавеющей стали), как показано на рис. 2. Клапан характеризовался временем отклика менее 1 с. Параметры пульсаций, включая амплитуду и частоту, регулировались для достижения требуемых режимов работы. Методика численного моделирования Численное моделирование выполнено с использованием программного пакета ANSYS Fluent. Моделирование течения основывалось на решении трехмерных уравнений Навье – Стокса (уравнения (1–6)), учитывающих вли-
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 27 No. 3 2025 91 EQUIPMENT. INSTRUMENTS яние вязкости при турбулентном течении (μt), тензора скорости деформации (Eij) и компонент вектора скорости (ui). Перенос тепла описывался уравнением (7). Коэффициент трения и теоретическое число Нуссельта (Nu) рассчитывались согласно уравнению (8) и эмпирической корреляции Диттуса – Болтера (уравнение (9)) [38–41]. ( ) ( ) ( ) 0 p u v w t x y z ∂ ∂ ρ ∂ ρ ∂ ρ + + + = ∂ ∂ ∂ ∂ ; (1) 2 2 2 2 2 2 1 u u u p u u u u v w x y z x x y z ⎛ ⎞ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ + + = − +μ + + ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ∂ ∂ ∂ ρ ∂ ∂ ∂ ∂ ⎝ ⎠ ; (2) 2 2 2 2 2 2 1 v v v p v v v u v w x y z y x y z ⎛ ⎞ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ + + = − +μ + + ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ∂ ∂ ∂ ρ ∂ ∂ ∂ ∂ ⎝ ⎠ ; (3) 2 2 2 2 2 2 1 w w w p w w w u v w x y z z x y z ⎛ ⎞ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ + + = − +μ + + ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ∂ ∂ ∂ ρ ∂ ∂ ∂ ∂ ⎝ ⎠ ; (4) ( ) ( ) 2 i t t ij ij i j k j ku p k k E E t x x x ⎡ ⎤ ∂ ρ μ ∂ ρ ∂ ∂ + = + μ − ρε ⎢ ⎥ ∂ ∂ ∂ ⎢ σ ∂ ⎥ ⎣ ⎦ ; (5) 2 1 2 ( ) ( ) 2 i t s t ij ij s i j s j u p k C E E C t x x x k k ⎡ ⎤ ∂ ρε μ ∂ ρ ε ∂ ∂ε ε ε + = + μ − ρ ⎢ ⎥ ∂ ∂ ∂ ⎢ σ ∂ ⎥ ⎣ ⎦ ; (6) v p T T T T k k k q C x x y y z z t ⎛ ⎞ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ + + + = ρ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ; (7) 2 2 ; ( / ) / 4 2 P m f V L D V D Δ = = ρ ρπ ; (8) 0,8 0,4 0, 023 Nu = Re Pr . (9) Построение расчетной сетки Качество расчетной сетки оказывает существенное влияние на точность результатов. Для адекватного разрешения пристеночного пограничного слоя была сгенерирована квазиортогональная структурированная сетка с параметром y⁺ ≈ 0,5 (соответствующее расстояние до стенки y = 1,3628⋅10–5 м). Общее количество узлов в сетке составило 1 283 136. Вид поперечного сечения сетки представлен на рис. 3. На входе задавались следующие граничные условия: для верификации модели использовался равномерный профиль скорости, а для моделирования динамических режимов – пульсирующий синусоидальный профиль, описываемый уравнением V = U0 [1 + A sin(2πft)], где A – амплитуда пульсаций, f – частота, t – время, U0 – средняя скорость Рис. 3. Дискретизация (разбиение сетки) в поперечном сечении Fig. 3. Meshing at the cross section
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1