CFD моделювання компактного пучка труб та виведення критеріального рівняння числа Nu

Abstract

При розробці нових типів конструкцій теплообмінних апаратів важливу роль відіграють такі фактори, як їх масогабаритні характеристики, ефективність теплопереносу через поверхню, що розділяє теплоносії, втрати тиску в трактах для кожного з теплоносіїв та інші параметри, які характеризують теплообмінний апарат. Проведено CFD моделювання процесів тепло- і масопереносу в пучку труб при різних числах Re з компактним розміщенням труб використовуючи програмний комплекс ANSYS Fluent. В основі математичної моделі лежать рівняння Нав’є-Стокса, рівняння збереження енергії для конвективних течій та рівняння нерозривності. У розрахунках застосовано стандартну k-ε модель турбулентності. Отримано поля швидкостей, температур, тисків у досліджуваних каналах. Проаналізовано умови гідродинамічної течії в каналах та проведено оцінки інтенсивності теплопереносу між гарячим та холодним теплоносієм через стінку, що їх розділяє. На основі результатів CFD моделювання виведено критеріальне рівняння числа Nu яке може бути використане при інженерних розрахунках теплообмінних апаратів з компактними пучками труб.

In the development of new types of designs of heat-exchange units, factors such as their mass-overall characteristics, the efficiency of heat transfer through the surface separating the heat carrier, the loss of pressure in the tract for each of the heat-carrier and other parameters characterizing the heat-exchange apparatus play an important role. The CFD modeling of heat and mass transfer processes in a bundle of pipes at various Re numbers with a compact pipe arrangement was carried out using the ANSYS Fluent software complex. The basis of the mathematical model is the Navier-Stokes equation, the energy conservation equation for convective currents and the continuity equation. In the calculations, a standard k-ε turbulence model was used. The fields of velocities, temperatures, and pressure in the studied channels are obtained. The conditions of the hydrodynamic flow in the channels are analyzed and the heat transfer intensity measurements between the hot and cold coolant through the wall that separates them are carried out. On the basis of the results of CFD simulation a criterion equation Nu is derived which can be used for engineering calculations of heat exchangers with compact bundles of pipes.

При разработке новых типов конструкций теплообменных аппаратов важную роль играют такие факторы, как их массогабаритные характеристики, эффективность теплопереноса через поверхность, разделяющую теплоносители, потери давления в трактах для каждого из теплоносителей и другие параметры, которые характеризуют теплообменный аппарат. Проведения CFD моделирования процессов тепло- и массопереноса в пучке труб при различных числах Re с компактным размещением труб используя программный комплекс ANSYS Fluent. В основе математической модели лежат уравнения Навье-Стокса, уравнения сохранения энергии для конвективных течений и уравнение неразрывности. В расчетах применены стандартную k-ε модель турбулентности. Получены поля скоростей, температур в исследуемых каналах. Проанализированы условия гидродинамических течений в каналах и проведения оценки интенсивности теплопереноса между горячим и холодным теплоносителем через стенку, разделяющую их. На основе результатов CFD моделирования выведено критериальное уравнение числа Nu которое может быть использовано при инженерных расчетах теплообменных аппаратов с компактными пучками труб.