Исследование влияния сложной геометрии трубопроводов и теплообменных поверхностей на динамику и параметры теплообмена газожидкостных потоков в промышленном оборудовании

Аннотация

Статья исследует, как сложная геометрия трубопроводов и теплообменных поверхностей влияет на гидродинамику и теплоперенос двухфазных газожидкостных потоков в промышленном оборудовании, решая проблему высокой неопределенности расчетов для колен, спиральных змеевиков и оребренных каналов, где традиционные корреляции дают большие погрешности. Методология сочетает верифицированное CFD-моделирование (ANSYS Fluent 2021 R2, VOF для межфазной границы, k-w SST для турбулентности; геометрии: прямая труба, отвод $R/D=1,5$, змеевик $S/D=2,0$ поперечное оребрение $h/D=0.1$; сетки 3,5-6,2 млн ячеек, $y+1$; тепловой поток q=const; среда «воздух-вода») с лабораторным экспериментом на замкнутом стенде (прозрачные секции, визуализация до 5000 кадр/с, кориолисовые расходомеры $\le0,5\%$, дифманометры до 50 кПа, 24 термопары К-типа с погрешностью $\le0,15^{\circ}C$; расчет Nu их в MATLAB). Показано, что при $Re\_mix=18000$ и $\beta=50\%$ среднее число Нуссельта растет относительно прямой трубы на 65,7% для отвода, 105.1% для змеевика и 126,6% для оребрения, причем чувствительность и к росту газосодержания в сложных геометриях выше, чем в прямой трубе, что указывает на синергетическое усиление турбулизации. Одновременно коэффициент гидросопротивления возрастает кратно: в 3,9 раза (отвод), 4,78 раза (змеевик) и 5,89 раза (оребрение) при $\beta=50\%$, что требует технико-экономического компромисса между компактностью и энергозатратами на прокачку. Для змеевика при $\beta=50\%$ рост Re_mix от 8000 до 40000 увеличивает Nu в 3,23 раза, тогда как умеренно снижается, отражая рост доминирования инерции над вязкостью и сдерживая прирост насосной мощности на высоких нагрузках. Локальный анализ оребрения выявляет экстремальную неравномерность теплоотдачи: пиковые значения на верхней грани ребра ( 2.3×Nu_avg) и провал в рециркуляционной зоне сразу за ребром $(\approx0.42\times Nu\_$ Nu_avg), задающие критические области прочности и риска отложений. Сделан вывод, что оптимальная геометрия должна подбираться многокритериально (Nu- -РЕС): при $\beta=40-60\%$ и $Re>20000$ спиральные змеевики обеспечивают наилучший баланс прироста теплоотдачи и потерь, тогда как оребрение оправдано при жестких требованиях к компактности; перспективы связаны с учетом фазовых переходов и нестационарных явлений для повышения надежности и эффективности.