Thermo-Hydraulic Trade-offs in Multi-Row Inline Tube Bundles: High-‎Fidelity CFD Validation for Waste Heat Recovery Systems

الملخص

إن امتلاك قدر كافٍ من الفهم الحراري-الهيدروليكي لحزم الأنابيب متعددة الصفوف يعد أمراً ضرورياً لتحسين أنظمة استعادة الحرارة المهدرة (WHRS). لذلك، تم إجراء دراسة باستخدام ديناميكا الموائع الحسابية (CFD) على حزمة أنابيب مصفوفة (inline) مكونة من عشرة صفوف، تحت تدفق عرضي عند رقم رينولدز يساوي 45,000 (مرتكز على السرعة القصوى). يعزل الباحثون مدى تأثير "الحجب" الديناميكي الهوائي بشكل منفصل عن تراكم الاضطراب عبر الصفوف، وذلك باستخدام معادلة تفاضلية للتدفق الحراري لكل صف، مكملة بدراسات تراكم الاضطراب المعزولة باستخدام نموذج SST k-ω (مع معالجة دقيقة للجدار عند y+ < 1).

يكتشف الباحثون "وادياً حرارياً" عند الصف الثاني، حيث يحدث انخفاض بنسبة 35% في رقم نوسلت المحلي (من 178.4 إلى 115.6) نتيجة ركود المائع في منطقة الأثر (wake). ومع ذلك، فإن تراكم الاضطراب يكون بطيئاً، محققاً زيادة بمقدار 13 ضعفاً في الطاقة الحركية للاضطراب (TKE) (من 1.25 م²/ث² إلى 17.20 م²/ث²) صفاً تلو الآخر. يبدأ التعافي الحراري عند الصف الرابع (رقم نوسلت = 158.3)، مع بلوغ حالة دورية عند الصف السابع (رقم نوسلت = 170.8)، وأخيراً يقترب من حالة مثالية مقاربة قيمتها 172.0 صفاً بعد صف وصولاً إلى الصف العاشر.

بالنسبة لانخفاض الضغط، فإن قيمة سحب شكلي كبيرة نسبياً قدرها 845.2 باسكال للصف الأول تنخفض بشكل كبير إلى 312.8 باسكال عند الصف الثاني (كرد فعل انعكاسي لحقل الضغط السالب)، ثم تقترب بعد ذلك من منطقة 380 باسكال صفاً بعد صف ابتداءً من الصف الثالث. إن الشكل الطبيعي للاضطرابات في مستويات الاضطراب بالصفوف المتأخرة (حيث يمكن أن تصل TKE إلى ما يزيد عن 35) يؤدي في النهاية إلى تأخير انفصال الطبقة الحدودية من 82 درجة (الصف الأول) إلى 98 درجة (الصف الخامس). يقدم هذا البحث طريقة تحقق كافية الجودة للمصفوفات الأنبوبية الكثيفة التجريبية، والمخصصة لاستعادة جزء من الطاقة التي يتم إهدارها حالياً في الغلاف الجوي.