Tests for Validation Problems of Anomalous Separated Flow and Heat Transfer Enhancement on Structured Surfaces with Extraordinary Pressure Drops

S. A. Isaev; Исаев С. А.; A. G. Sudakov; Судаков А. Г.; D. V. Nikushenko; Никущенко Д. В.; A. E. Usachev; Усачов А. Е.; M. A. Zubin; Зубин М. А.; A. A. Sinyavin; Синявин А. А.; A. Yu.  Chulunin; Чулюнин А. Ю.; E. B. Dubko; Дубко Е. Б.

doi:10.31857/S1024708423600379

Tests for Validation Problems of Anomalous Separated Flow and Heat Transfer Enhancement on Structured Surfaces with Extraordinary Pressure Drops

Authors: Isaev S.A.¹, Sudakov A.G.¹, Nikushenko D.V.¹, Usachev A.E.², Zubin M.A.³, Sinyavin A.A.³, Chulunin A.Y.³, Dubko E.B.¹
Affiliations:
1. Saint Petersburg State Maritime Technical University
2. TSAGI Moscow Complex
3. Moscow State University, Research Institute of Mechanics
Issue: No 5 (2023)
Pages: 70-81
Section: Articles
URL: https://journals.rcsi.science/1024-7084/article/view/135097
DOI: https://doi.org/10.31857/S1024708423600379
EDN: https://elibrary.ru/GAKZLQ
ID: 135097

Cite item

Full Text

Open Access
Restricted Access

Access granted
Restricted Access

Subscription Access

Abstract
About the authors
References
Supplementary files
Statistics

Abstract

New tests are presented for application packages and turbulence models for validation problems of high-intensity vortex flows near structured energy-efficient surfaces. The idea of testing is based on the discovery of anomalous intensification of separated flows and heat transfer in inclined grooves on plates and channel walls. In the grooves, due to the extraordinary pressure drops, confirmed by experiments, swirling flows are generated with high velocities of the return and secondary flow, comparable to the speed of the external flow. Also, high-gradient zones with friction and heat transfer are formed inside the grooves, many times (from 1.5–2 to 7–9 times) exceeding friction and heat transfer on a flat wall. As an example, the VP2/3 package, developed on the basis of original multi-block computing technologies and using multi-scale intersecting grids, is being tested. Comparison of numerical predictions with Zubin’s experiments confirmed high static pressure drops between the stagnation zone on the windward slope of the inclined groove and the negative pressure region at the site of generation of a tornado-like flow on the inlet spherical segment, and also demonstrated the acceptability of the RANS approach for predicting the characteristics of high-intensity swirling flows.

Keywords

Anomalous intensification, Vortex dynamics, Heat transfer, Inclined grooves, Plate, Narrow channel, Multiblock computing technologies, Package VP2/3.

References

Гувернюк С.В., Синявин А.А., Меснянкин С.Ю., Панин Д.Н., Чулюнин А.Ю. Специализированный тест для валидации вычислительных технологий моделирования аэродинамики большегрузных автомобилей с элементами управления отрывом // Отчет Института механики МГУ. 2015. № 5298. 54 с.
Исаев С.А., Судаков А.Г., Никущенко Д.В., Усачов А.Е., Чулюнин А.Ю., Дубко Е.Б. RANS расчеты интенсивных отрывных и смерчевых течений на структурированных пластинах и стенках каналов в цифровых двойниках экспериментальных стендов Института механики МГУ и КазНЦ РАН // Вычислительный эксперимент в аэроакустике и аэродинамике: Девятая российская конференция. М.: ИПМ им. Келдыша РАН, 2022. С. 152–156.
Isaev S., Gritckevich M., Leontiev A., Popov I. Abnormal enhancement of separated turbulent air flow and heat transfer in inclined single-row oval-trench dimples at the narrow channel wall // Acta Astronautica. 2019. V. 163 (Part.A). P. 202–207.
Isaev S.A., Gritckevich M.S., Leontiev A.I., Milman O.O., Nikushchenko D.V. NT Vortex enhancement of heat transfer and flow in the narrow channel with a dense packing of inclined one-row oval-trench dimples // Int. J. Heat Mass Transf. 2019. V. 145. № 18737. P. 1–13.
Исаев С.А., Грицкевич М.С., Леонтьев А.И., Попов И.А., Судаков А.Г. Аномальная интенсификация турбулентного отрывного течения в наклоненных однорядных овально-траншейных лунках на стенке узкого канала // Теплофизика высоких температур. 2019. Т. 57. № 5. С. 797–800.
Исаев С.А., Грицкевич М.С., Леонтьев А.И., Мильман О.О., Никущенко Д.В. Ускорение турбулентного потока в узком облуненном канале и интенсификация отрывного течения при уплотнении однорядных наклоненных овально-траншейных лунок на стенке // Теплофизика и аэромеханика. 2019. Т. 26. № 5. 697–702.
Исаев С.А., Мазо А.Б., Никущенко Д.В., Попов И.А., Судаков А.Г. Влияние на аномальную интенсификацию отрывного турбулентного течения угла наклона однорядных овально-траншейных лунок на стабилизированном гидродинамическом участке узкого канала // Письма в ЖТФ. 2020. Т. 46. Вып. 21. С. 18–21.
Mironov A., Isaev S., Skrypnik A. and Popov I. Numerical and physical simulation of heat transfer enhancement using oval dimple vortex generators – review and recommendations // Energies. 2020. V. 13. № 5243.
Исаев С.А., Чулюнин А.Ю., Никущенко Д.В., Судаков А.Г., Усачов А.Е. Анализ аномальной интенсификации отрывного течения и теплообмена на стабилизированном участке узкого канала с однорядными наклоненными овально-траншейными лунками при использовании различных сеток и моделей турбулентности // Теплофизика высоких температур. 2021. Т. 59. № 1. С. 116–125.
Исаев С.А., Леонтьев А.И., Никущенко Д.В., Судаков А.Г., Усачов А.Е. Интенсификация отрывного течения в наклонных однорядных овально-траншейных лунках на стенке узкого канала // Инженерно-физический журнал. 2021. Т. 94. № 1. С. 160–168.
Исаев С.А. Генезис аномальной интенсификации отрывного течения и теплообмена в наклонных канавках на структурированных поверхностях // Механика жидкости и газа. 2022. № 5. С. 13–24.
Isaev S., Leontiev A., Gritskevich M., Nikushchenko D., Guvernyuk S., Sudakov A., Chung K.-M., Tryaskin N., Zubin M., Sinyavin A. Development of energy efficient structured plates with zigzag arrangement of multirow inclined oval trench dimples // Int. J. Thermal Sciences. 2023. V. 184. № 107988.
Исаев С.А. Аэрогидродинамические механизмы интенсификации физико-энергетических процессов на структурированных энергоэффективных поверхностях с вихревыми генераторами // Теплофизика и аэромеханика. 2023. Т. 30. № 1. С. 83–88.
Isaev S.A., Mikheev N.I., Dushin N.S., Goltsman A.E., Nikushchenko D.V. and Sudakov A.G. Vortex heat transfer enhancement on energy-efficient surfaces structured by inclined trench dimples // Journal of Physics: Conference Series. 2011. V. 2119. № 012016.
Isaev S.A., Guvernyuk S.V., Mikheev N.I., Popov I.A., Nikushchenko D.V. Numerical and experimental study of abnormal enhancement of separated turbulent flow and heat transfer in inclined oval-trench dimples on the plate and on the narrow channel wall // Journal of Physics: Conf. Ser. 2021. V. 2039. № 012009.
Isaev S.A., Popov I.A., Mikheev N.I., Guvernyuk S.V., Zubin M.A., Nikushchenko D.V., Sudakov A.G. Vortex heat transfer enhancement in the separated flow near structured dimpled surfaces // J. Phys. Conf. Ser. 2021. V. 2057. № 012002.
Isaev S.A., Leontiev A.I., Son E.E., Guvernyuk S.V., Zubin M.A., Mikheev N.I., Popov I.A., Nikuschenko D.V., Sudakov A.G. Anomalous intensification of separated flow and heat transfer in one and multiple row deep inclined oval trench dimples on the wall of a narrow channel and on the plate // Journal of Physics: Conf. Ser. 2021. V. 2088. № 012018.
Зубин М.А., Зубков А.Ф. Структура отрывного обтекания цилиндрической каверны на стенке плоского канала // Механика жидкости и газа. 2022. № 1. С. 81–89.
Исаев С.А., Баранов П.А., Усачов А.Е. Многоблочные вычислительные технологии в пакете VP2/3 по аэротермодинамике. Саарбрюкен: LAP LAMBERT Academic Publishing. 2013. 316 с.
Menter F.R. Zonal two equation k–ω turbulence models for aerodynamic flows // AIAA Paper. 1993. № 93–2906.
Menter F.R., Kuntz M., Langtry R. Ten years of industrial experience with the SST turbulence model // K. Hanjalic, Y. Nogano, and M. Tummers (Eds.) Turbulence, Heat and Mass Transfer 4, Begell House Inc., 2003.
Исаев С.А., Баранов П.А., Жукова Ю.В., Усачов А.Е., Харченко В.Б. Коррекция модели переноса сдвиговых напряжений с учетом кривизны линий тока при расчете отрывных течений несжимаемой вязкой жидкости // Инженерно-физический журнал. 2014. Т. 87. № 4. С. 966–979.
Isaev S.A. Experience of application of SST-model-2003 with correction on streamline curvature according to Rodi-Leschziner-Isaev approach for (U)RANS calculations of separated and vortex sub- and supersonic flows // AIP Conference Proceedings. 2018. 2027, P. 020015.1–7.
Ferziger J.H., Peri’c M. Computational Methods for Fluid Dynamics/ 2nd ed.; Springer: Berlin/Heidelberg, Germany, 1999.
Van Doormaal J.P., Raithby G.D. Enhancement of the SIMPLE method for predicting incompressible fluid flow // Numerical Heat Transfer. 1984. V. 7. № 2. P. 147–163.
Leonard B.P. A stable and accurate convective modeling procedure based on quadratic upstream interpolation // Comp. Meth. Appl. Mech. Eng. 1979. V. 19. № 1. P. 59–98.
Van Leer B. Towards the ultimate conservative difference scheme V. A second order sequel to Godunov’s method // J. Comp. Phys. 1979. V. 32. P. 101–136.
Rhie C.M., Chow W.L. A numerical study of the turbulent flow past an isolated airfoil with trailing edge separation // AIAA J. 1983. V. 21. P. 1525–1532.
Pascau A., Garcia N. Consistency of SIMPLEC scheme in collocated grids, V European Conference on Computational Fluid Dynamics ECCOMAS CFD 2010. Lisbon, Portugal, 2010, 12 p.
Saad Y. Iterative methods for sparse linear systems, 2nd ed., Society for Industrial and Applied Mathematics, Philadelphia, 2003.
Demidov D. AMGCL: C++ library for solving large sparse linear systems with algebraic multigrid method. http://amgcl.readthedocs.org/