Влияние коэффициента теплоотдачи на теплообмен в цилиндрической вибрирующей полости

Численно исследован теплоперенос в вибрирующей цилиндрической воздушной полости, на стенках которой задан тепловой поток по закону Ньютона – Рихмана. Для описания процесса в осесимметричной постановке использована полная система уравнений Навье – Стокса с постоянными значениями коэффициентов вязкости и теплопроводности. Рассмотрены три характерные частоты вибрации. Определено влияние коэффициента теплоотдачи на распределение температуры в полости. Показано, что при наличии теплообмена через стенки полости вибрация может привести к понижению средней за период температуры в центральной части полости. Для каждой из рассмотренных частот вибрации определены значения коэффициента теплоотдачи, при которых приращение температуры в среднем за период во всей области положительно. Изучено также влияние коэффициента теплоотдачи на направление теплового потока через боковую поверхность полости при разных частотах вибрации.

1. Исакович М.А. Общая акустика. М.: Наука, 1973. 496 с.

2. Hamilton M.F., Ilinskii Y.A., Zabolotskaya E.A. Thermal effects on acoustic streaming in standing waves // J. Acoust. Soc. Am. 2003. V. 114, No 6. P. 3092–3101. https://doi.org/10.1121/1.1618752.

3. Hamilton M.F., Ilinskii Y.A., Zabolotskaya E.A. Acoustic streaming generated by standing waves in two-dimensional channels of arbitrary width // J. Acoust. Soc. Am. 2003. V. 113, No 1. P. 153–160. https://doi.org/10.1121/1.1528928.

4. Fu W.S., Shieh W.J. A study of thermal convection in an enclosure induced simultaneously by gravity and vibration // Int. J. Heat Mass Transfer. 1992. V. 35, No 7. P. 1695–1710. https://doi.org/10.1016/0017-9310(92)90140-N.

5. Aktas M.K., Ozgumus T. The effects of acoustic streaming on thermal convection in an enclosure with differentially heated horizontal walls // Int. J. Heat Mass Transfer. 2010. V. 53, Nos 23–24. P. 5289–5297. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2010.07.028.

6. Kim K.H., Hyan J.M., Kwak H.S. Buoyant convection in a side-heated cavity under gravity and oscillations // Int. J. Heat Mass Transfer. 2001. V. 44, No 4. P. 857–861. https://doi.org/10.1016/S0017-9310(00)00142-3.

7. Lafta H.D., Mohammed D.O. Experimental investigation of heat transfer enhancement in а douhle pipe heat exchanger using compound technique of transverse vibration and inclination angle // J. Eng. 2023. V. 29, No 5. P. 90–105. https://doi.org/10.31026/j.eng.2023.05.07.

8. Liu Y., Jiang G., Yang Y., Kong Q., Jiang Y. Numerical simulation on acoustic streaming characteristics in boiler tube array // Int. J. Heat Mass Transfer. 2022. V. 193. Art. 122834. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2022.122834.

9. Talebi M., Setareh M., Saffar-Avval M., Abardeh R.H. Numerical investigation of natural convection heat transfer in a cylindrical enclosure due to ultrasonic vibrations // Ultrasonics. 2017. V. 76. P. 52–62. https://doi.org/10.1016/j.ultras.2016.12.010.

10. Gubaidullin A.A., Yakovenko A.V. Effects of heat exchange and nonlinearity on acoustic streaming in a vibrating cylindrical cavity // J. Acoust. Soc. Am. 2015. V. 137, No 6. P. 3281–3287. https://doi.org/10.1121/1.4921292.

11. Pyatkova A.V., Gubaidullin A.A. Acoustic streaming and temperature field in the cavity with isothermal and adiabatic boundary conditions at the ends // Lobachevskii J. Math. 2019. V. 40, No 11. P. 1994–1999. https://doi.org/10.1134/S1995080219110234.

12. Aganin A.A., Ilgamov M.A., Smirnova E.T. Development of longitudinal gas oscillations in a closed tube // J. Sound Vib. 1996. V. 195, No 3. P. 359–374. https://doi.org/10.1006/jsvi.1996.0431.

13. Daru V., Baltean-Carl`es D., Weisman C., Debesse P., Gandikota G. Two-dimensional numerical simulations of nonlinear acoustic streaming in standing waves // Wave Motion. 2013. V. 50, No 5. P. 955–963. https://doi.org/10.1016/j.wavemoti.2013.03.004.

14. Daru V., Weisman C., Baltean-Carl`es D., Bailliet H. Acoustically induced thermal effects on Rayleigh streaming // J. Fluid Mech. 2021. V. 911. Art. A7. https://doi:10.1017/jfm.2020.996.

15. Gubaidullin A.A., Pyatkova A.V. The effects of heat transfer through the ends of a cylindrical cavity on acoustic streaming and gas temperature // Mathematics. 2023. V. 11, No 8. Art. 1840. https://doi.org/10.3390/math11081840.

16. Gubaidullin A.A., Pyatkova A.V. Specificities of heat transfer in a vibrating cylindrical cavity at the transition of the exposure frequency through resonance // Lobachevskii J. Math. 2022. V. 43, No 5. P. 1069–1075. https://doi.org/10.1134/S1995080222080121.

17. Губайдуллин А.А., Пяткова А.В. Акустическое течение при термических граничных условиях 3-го рода // Акуст. журн. 2018. Т. 64, № 3. C. 289–295.

18. Patankar S.V. Numerical Heat Transfer and Fluid Flow. Ser. in Computational Methods in Mechanics and Thermal Sciences / Ed. by W.J. Minkowycz, E.M. Sparrow. Washington, DC, New York, NY, London: Hemisphere, 1980. xiii, 197 p.