CONSTRUCTION AND ARCHITECTURE

Investigation of the influence of complex geometry of pipelines and heat exchange surfaces on the dynamics and parameters of heat exchange of gas-liquid flows in industrial equipment

Authors

  • J. He Korolev Samara National Research University, 443086, Russia, Samara, Moskovskoye shosse, 34

How to cite

GOST He J. Investigation of the influence of complex geometry of pipelines and heat exchange surfaces on the dynamics and parameters of heat exchange of gas-liquid flows in industrial equipment // STROITEL'NYE I DOROZHNYE MASHINY. 2025. Vol. 69. No. 9. P. 10-19.
APA He, J. (2025). Investigation of the influence of complex geometry of pipelines and heat exchange surfaces on the dynamics and parameters of heat exchange of gas-liquid flows in industrial equipment. STROITEL'NYE I DOROZHNYE MASHINY, 69(9), 10-19.

Abstract

The article examines how complex geometries of pipelines and heat-transfer surfaces affect the hydrodynamics and heat transfer of two-phase gas-liquid flows in industrial equipment, addressing the high uncertainty of calculations for elbows, helical coils, and finned channels where traditional correlations yield large errors. The methodology combines validated CFD modeling (ANSYS Fluent 2021 R2, VOF for the interfacial boundary, k-w SST for turbulence; geometries: straight pipe, elbow $R/D=1.5$, coil $S/D=2.0$, transverse finning $h/D=0.1$; meshes of 3,5-6,2 million cells, $y+n$; heat flux q const; air-water medium) with a laboratory experiment on a closed loop rig (transparent sections, visualization up to 5000 fps, Coriolis flowmeters $\le0.5\%$, differential pressure transducers up to 50 kPa, 24 K-type thermocouples with $\le0,15^{\circ}C$ error; Nu and computed in MATLAB). It is shown that at $Re\_mix=18000$ and $\beta=50\%$ the mean Nusselt number increases relative to a straight pipe by 65,7% for the elbow, 105, 1% for the coil, and 126,6% for finning, with Nu sensitivity to rising gas content in complex geometries exceeding that in a straight pipe, indicating synergistic enhancement of turbulence. Simultaneously, the friction factor increases by multiples: 3,9x (elbow), 4,78x (coil), and 5,89x (finning) at $\beta=50\%$, necessitating a techno-economic trade-off between compactness and pumping power. For the coil at $\beta=50\%$ increasing Re_mix from 8000 to 40000 raises Nu by 3,23x, while decreases moderately, reflecting growing inertia dominance over viscosity and tempering the rise in pump power at high loads. Local analysis of finning reveals extreme nonuniformity of heat transfer: peak values on the fin's upper face $(\approx2,3\times Nu\_avg)$ and a trough in the recirculation zone immediately behind the fin $(\approx0,42\times Nu\_avg)$, defining critical regions for strength and fouling risk. It is concluded that optimal geometry must be selected multicritically (Nu-λ-PEC): at $\beta=40-60\%$ and $Re>20000$ helical coils provide the best balance between heat-transfer gain and losses, whereas finning is justified under stringent compactness requirements; future work should incorporate phase change and unsteady phenomena to improve reliability and efficiency.

Keywords

two-phase flows heat transfer complex channel geometry computational fluid dynamics hydraulic resistance

Funding

The authors did not declare any external funding for this research.

References

Анисин А.А. Интенсификация теплообмена в каналах сложной формы поперечно обтекаемых трубчатых и пластинчатых поверхностей: дис. ... канд. техн. наук. СПб., 2000. 132 с.

Баринов С.Н., Веретенников С.В. Исследование сеточной сходимости при численном моделировании газодинамики и теплообмена в вихревой трубе // Прикладная математика, механика и процессы управления. 2014. Т. 1. С. 90.

Габдрахманов Р.Р. Интенсификация теплообмена поперечными выступами на вогнутой поверхности: дис. ... канд. техн. наук. Казань: Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева, 2003. 20 с.

Галлямов Р.Ф., Габбасова А.Х., Наумкин Е.А. Влияние параметров газожидкостного потока на надежность технологических трубопроводов // Мат. 56-й науч.-тех. конф. студ., асп. и мол. уч. СПб., 2004. С. 80.

Коршунов С.А., Чионов А.М., Кулик В.С., Казак К.А. Влияние теплоемкости трубы на процесс теплообмена при транспортировке природного газа // Трубопроводный транспорт: теория и практика. 2013. № 6(40). С. 8-11.

Мустафин Ф.М., Абзгильдин Р.Р., Файрузов В.М. Гидродинамическое и газодинамическое воздействие потока перекачиваемого продукта на трубопровод // Трубопроводный транспорт - 2012: мат. VIII Межд. учеб.-науч.-прак. конф. (8-9 ноября 2012 г., Уфа). Уфа: Уфимский государственный нефтяной технический университет, 2012. С. 263-264.

Панахов Г.М., Аббасов Э.М., Юзбашиева А.О., Гусейнов В.Г. Теплоперенос при течении газожидкостных углеводородных потоков в трубопроводных системах // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2015. № 3. С. 3-7.

Платонов Н.И. Исследование тепло- и массообмена между свободной пленкой жидкости и поперечным потоком газа в контактном теплообменнике: дис. канд. техн. наук. Магнитогорск: Магнитогорский государственный педагогический институт, 1998. 23 с.

Романовский О.И. Повышение эффективности работы тепловых труб путем учета влияния неконденсирующегося газа на их рабочие характеристики: дис. канд. техн. наук. М.: Московский энергетический институт, 1993.

Рыженкова Н.В.Д. Определение влияния модификации трубных и теплообменных поверхностей на эффективность системы теплоснабжения: НИР: грант № СП-214.2012.1. Совет по грантам Президента Российской Федерации. 2012.

Саранчин Н.В. Тепломассоперенос при течении газожидкостных углеводородных сред в трубопроводных системах: дис. канд. физ.-мат. наук. Тюмень: Тюменский государственный университет, 2010. 22 с.

Семенчева Н.В., Холодков Ю.В., Елагин М.Ю. Согласование работы теплообменника выпускного трубопровода и ДВС // Автомобиль и техносфера. 2001. С. 277-280.

Стариков Е.В., Тукаева Р.Б. Современное состояние и тенденции в области конструирования и проектирования теплообменного оборудования нефтегазопереработки // Мат. 56-й науч.-тех. конф. студ., асп. и мол. уч. 2005. С. 88.

Усачев А.П., Рулев А.В. Моделирование испарительного трубопроводного змеевика сжиженного углеводородного газа с максимально возможной интенсивностью внутреннего теплообмена // Электронный научный журнал Нефтегазовое дело. 2012. № 4. С. 428-435.

Успенский И.Н. Закономерности теплообмена в газожиткостных охлаждающих системах устройств с высоким объемным тепловыделением: дис. канд. техн. наук. Л.: Ленинградский технологический институт холодильной промышленности, 1991. 15 с.

Issue

Section

CONSTRUCTION AND ARCHITECTURE

Metrics

104 views
0 downloads
Want to publish with us?
Submit an article

Similar Articles

You may also start an advanced similarity search for this article.