Зависимость характеристик теплообмена от угла раскрытия диффузорного тракта в пластинчатых теплообменниках с противотоком

Автор: Анастасия Дмитриевна Чичерина

Соавторы: Лущик В.Г., Решмин А.И.

Организация: НИИ механики МГУ им. М.В. Ломоносова

Повышение эффективности теплообменного оборудования — важная научно-практическая задача, зачастую решаемая через искусственную турбулизацию потока. Наибольшую эффективность по повышению теплообмена даёт создание отрывных вихревых структур внутри каналов. При этом такая интенсификация неизбежно сопровождается ростом гидравлического сопротивления и затрат на прокачку теплоносителя. Эксперименты показали, что в диффузорном канале интенсивность турбулентности и напряжения Рейнольдса значительно возрастают по сравнению с каналом постоянного сечения. Было предположено, что это может сопровождаться повышением теплоотдачи без существенного увеличения гидравлического сопротивления. Для исследования данного вопроса проведено численное моделирование течения и теплообмена в плоских и круглых диффузорах с углами раскрытия, не приводящими к отрыву потока. Использована дифференциальная RANS-модель турбулентности, дополненная уравнением переноса для турбулентного потока тепла. Проведен анализ влияния угла раскрытия диффузоров и числа Рейнольдса на локальные и интегральные характеристики течения горячего и холодного теплоносителей. Обнаружено, что с ростом угла раскрытия диффузора основные характеристики теплообмена – число Нуссельта и коэффициент аналогии Рейнольдса – значительно выше, чем в канале постоянного сечения при том же числе Рейнольдса.

Проведенное численное исследование показало, что интенсификация теплообмена в круглом и плоском безотрывных диффузорах с малыми углами раскрытия и гладкой поверхностью реализуется при небольшом росте коэффициента трения, значительном росте числа Нуссельта и коэффициента аналогии Рейнольдса (см. Рис.), что характеризует принципиальное отличие рассмотренного способа интенсификации теплообмена от других известных способов, где увеличение теплоотдачи достигается ценой значительного роста гидравлических потерь.

Рис. Зависимость относительных средних значений числа Нуссельта , коэффициента трения  и коэффициента аналогии Рейнольдса  от угла раскрытия канала a при числе Рейнольдса :

● – круглый и ■ – плоский диффузорные каналы.

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда, проект № 25-19-00278.

1. Лущик В. Г., Решмин А. И., Чичерина А.Д. Сравнительный анализ эффективности теплообмена в круглом и плоском безотрывных диффузорах // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2025. Т. 26. № 3. С. 1–15.

2. Лущик В. Г., Решмин А. И., Чичерина А.Д. Исследование турбулентных характеристик течения в пластинчатых теплообменниках с диффузорными каналами // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2025. Т. 26. № 5. С. 1–16.