Investigación de los mecanismos de mejora de la transferencia de calor en conjuntos de tubos elásticos sometidos a oscilaciones fluidas autoexcitadas exógenas
Autores: Hu, Jing; Guo, Lei; Zhang, Shusheng
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2025
Acceso abierto
Artículo científico
2025
Investigación de los mecanismos de mejora de la transferencia de calor en conjuntos de tubos elásticos sometidos a oscilaciones fluidas autoexcitadas exógenas
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Mecánica
Palabras clave
Vibración inducida por flujo
Mejora de la transferencia de calor
Haz de tubos elásticos
Oscilador de fluidos
Intensidad de turbulencia
Resistencia térmica
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
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Las características de vibración inducida por flujo (FIV) son factores clave para mejorar la transferencia de calor. Sin embargo, persisten desafíos como la insuficiente mejora en la transferencia de calor y la resistencia a la fatiga del haz de tubos en el contexto de la mejora de la transferencia de calor en intercambiadores de calor de haz de tubos elásticos. Este estudio propone un nuevo paradigma pasivo de mejora de la transferencia de calor para haces de tubos elásticos basado en oscilaciones autoexcitadas inducidas externamente del fluido. Al construir un sistema de transferencia de energía sin contacto, la energía de oscilación externa se dirige hacia el intercambiador de calor de haz de tubos elástico, logrando un amortiguamiento de tensiones dinámicas y rompiendo la capa límite de transferencia de calor del flujo en estado estacionario. Se establece un modelo numérico de interacción fluido-estructura tridimensional utilizando Star CCM+2021.3 (16.06.008) para realizar un análisis comparativo de las características de flujo y el rendimiento de transferencia de calor entre la estructura original sin oscilador y la estructura mejorada equipada con un oscilador de fluido. Los resultados indican que la estructura mejorada, a través del chorro inestable periódico inducido por el oscilador de fluido, mejora significativamente la intensidad de turbulencia del fluido del lado de la carcasa, con un aumento de la energía cinética turbulenta de más del 50%. El área de flujo radial se expande notablemente, reduciendo así la resistencia térmica de la capa límite. A velocidades del fluido de enfriamiento de 6 a 9 m/s, la capacidad de transferencia de calor de la estructura mejorada se incrementa en más del 50%. En comparación con la estructura original, la nueva estructura, debido a la carga de una estructura de oscilación externa, provoca que el aire frío presente un fenómeno de chorro periódico hacia arriba y hacia abajo. Este fenómeno de chorro, por un lado, aumenta el área de intercambio de calor entre el aire frío y la superficie exterior del haz de tubos, mejorando así la capacidad de intercambio de calor. Por otro lado, el impacto de gran área del fluido reduce el grosor de la capa límite, disminuye la resistencia térmica y, por lo tanto, mejora la capacidad de intercambio de calor. Además, esta estructura mejorada amortigua las vibraciones mecánicas a través de oscilaciones autoexcitadas del medio fluido, asegurando que los niveles de tensión en el haz de tubos se mantengan por debajo del umbral de fatiga, mitigando efectivamente los riesgos de fallo asociados con las estrategias de vibración activa tradicionales.
Descripción
Las características de vibración inducida por flujo (FIV) son factores clave para mejorar la transferencia de calor. Sin embargo, persisten desafíos como la insuficiente mejora en la transferencia de calor y la resistencia a la fatiga del haz de tubos en el contexto de la mejora de la transferencia de calor en intercambiadores de calor de haz de tubos elásticos. Este estudio propone un nuevo paradigma pasivo de mejora de la transferencia de calor para haces de tubos elásticos basado en oscilaciones autoexcitadas inducidas externamente del fluido. Al construir un sistema de transferencia de energía sin contacto, la energía de oscilación externa se dirige hacia el intercambiador de calor de haz de tubos elástico, logrando un amortiguamiento de tensiones dinámicas y rompiendo la capa límite de transferencia de calor del flujo en estado estacionario. Se establece un modelo numérico de interacción fluido-estructura tridimensional utilizando Star CCM+2021.3 (16.06.008) para realizar un análisis comparativo de las características de flujo y el rendimiento de transferencia de calor entre la estructura original sin oscilador y la estructura mejorada equipada con un oscilador de fluido. Los resultados indican que la estructura mejorada, a través del chorro inestable periódico inducido por el oscilador de fluido, mejora significativamente la intensidad de turbulencia del fluido del lado de la carcasa, con un aumento de la energía cinética turbulenta de más del 50%. El área de flujo radial se expande notablemente, reduciendo así la resistencia térmica de la capa límite. A velocidades del fluido de enfriamiento de 6 a 9 m/s, la capacidad de transferencia de calor de la estructura mejorada se incrementa en más del 50%. En comparación con la estructura original, la nueva estructura, debido a la carga de una estructura de oscilación externa, provoca que el aire frío presente un fenómeno de chorro periódico hacia arriba y hacia abajo. Este fenómeno de chorro, por un lado, aumenta el área de intercambio de calor entre el aire frío y la superficie exterior del haz de tubos, mejorando así la capacidad de intercambio de calor. Por otro lado, el impacto de gran área del fluido reduce el grosor de la capa límite, disminuye la resistencia térmica y, por lo tanto, mejora la capacidad de intercambio de calor. Además, esta estructura mejorada amortigua las vibraciones mecánicas a través de oscilaciones autoexcitadas del medio fluido, asegurando que los niveles de tensión en el haz de tubos se mantengan por debajo del umbral de fatiga, mitigando efectivamente los riesgos de fallo asociados con las estrategias de vibración activa tradicionales.