Экспериментальное и численное исследования структуры течения в щелевых каналах с плавным расширением и сужением

Введение. В настоящее время одним из наиболее распространенных типов теплообменных аппаратов являются пластинчатые теплообменники, в том числе микроканальные. Для повышения эффективности теплообменных аппаратов необходима оптимизация геометрии пластин, что реализуется с помощью численного моделирования течения и теплообмена. Численное моделирование требует валидации результатов не только по интегральным характеристикам, таким как перепад давлений или коэффициент теплоотдачи, но и по структуре течения. Метод. В работе экспериментально и численно исследована структура течения в щелевых каналах с односторонним плавным расширением и сужением: с минимальной (33 %), средней (53 %) и максимальной (200 %) степенью расширения при числе Рейнольдса около 300. Для численного моделирования использовалась стационарная трехмерная несжимаемая постановка на основе осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье–Стокса с их замыканием посредством модели турбулентности k-ε Realizable. В ходе экспериментальных исследований был применен оптический метод анемометрии по изображениям частиц, заключающийся в кросс-корреляционном анализе последовательных снимков потока с засеянными частицами-трассерами, что позволяет определять их среднее смещение за время между кадрами, и, как следствие — двухмерное поле скоростей. Для реализации данного метода был создан стенд, в том числе разработан, изготовлен и испытан капельный генератор на основе сопла Ласкина. Основные результаты. Результаты численного моделирования и эксперимента показали мгновенные и осредненные поля скоростей в срединном продольном сечении каналов. Полученные результаты подтвердили качественное и количественное согласие с экспериментальными данными, отклонение не превышает 8 %. Установлено, что в случае значительных расширений в широкой части канала может возникать вихревое течение, при этом вихрь не является стационарным, несмотря на низкое число Рейнольдса и перемещается как влево-вправо, так и вверх-вниз, что при осреднении приводит к различиям в векторных полях скорости между результатами эксперимента и моделирования. Обсуждение. Подтверждено, что используемые в настоящем исследовании модели и подходы обеспечивают приемлемую точность с точки зрения воспроизведения структуры течений. Ввиду наличия вихревых структур при большой степени расширения, которая может быть образована оребрением со значительной высотой ребер, для использования в теплообменных каналах рекомендуются каналы с малым и средним расширениями как обеспечивающие безотрывный характер течения.

1. Kapustenko P.O., Arsenyeva O.P., Varbanov P.S., Tovazhnyanskyy L.L. Heat transfer intensification in compact heat exchangers with channels of various geometries and size // International Communications in Heat and Mass Transfer. 2025. V. 167. Part A. P. 109273. doi: 10.1016/j.icheatmasstransfer.2025.109273

2. Киндра В.О., Максимов И.А., Паторкин Д.В., Злывко О.В., Комаров И.И. Численное и экспериментальное исследование теплогидравлических процессов в конфузорно-диффузорных каналах пластинчатых теплообменников с вытравленными каналами // Теплоэнергетика. 2026. № 1. С. 18–35. doi: 10.56304/S0040363625600776

3. Alyaseen N.O.M., Mehrzad S., Saffarian M.R. Modeling and design of a multistream plate-fin heat exchanger in the air separation units by pinch technology // International Journal of Chemical Engineering. 2023. V. 2023. P. 9204268. doi: 10.1155/2023/9204268

4. Mota F.A.S., Carvalho E.P., Ravagnani M.A.S.S. Modeling and design of plate heat exchanger // Heat Transfer Studies and Applications. 2015. doi: 10.5772/60885

5. Kumar S., Singh S.K., Sharma D. A Comprehensive review on thermal performance enhancement of plate heat exchanger // International Journal of Thermophysics. 2022. V. 43. N 7. P. 109. doi: 10.1007/s10765-022-03036-7

6. Arsenyeva O., Tovazhnyanskyy L., Kapustenko P., Klemeš J.J., Varbanov P.S. Review of developments in plate heat exchanger heat transfer enhancement for single-phase applications in process industries // Energies. 2023. V. 16. N 13. P. 4976. doi: 10.3390/en16134976

7. Močnik U., Čikić A., Muhič S. Numerical and experimental analysis of fluid flow and flow visualization at low Reynolds numbers in a dimple pattern plate heat exchanger // Energy. 2024. V. 288. P. 129812. doi: 10.1016/j.energy.2023.129812

8. Kindra V., Bryzgunov P., Shevchenko I., Zlyvko O., Rogalev N. Numerical and experimental study of heat transfer augmentation using pin-in-dimple vortex generators // Heat Transfer Engineering. 2026. P. 1–15. doi: 10.1080/01457632.2026.2614111

9. Bryzgunov P.A., Pisarev D.S., Zlyvko O.V., Rogalev A.N., Rogalev N.D. Experimental study of the optically transparent gas flow and temperature field using the background oriented Schlieren method // Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics. 2025. V. 25. N 5. P. 952–960. doi: 10.17586/2226-1494-2025-25-5-952-960

10. Shimazaki T., Ichihara S., Tagawa Y. Background oriented schlieren technique with fast Fourier demodulation for measuring large densitygradient fields of fluids // Experimental Thermal and Fluid Science. 2022. V. 134. P. 110598. doi: 10.1016/j.expthermflusci.2022.110598

11. Rohlfs L., Weiss J. Assimilating mean velocity fields of a shockwaveboundary layer interaction from background-oriented schlieren measurements using physics-informed neural networks // Physics of Fluids. 2024. V. 36. N 7. P. 076134. doi: 10.1063/5.0208040

12. Yan Y., Mohanarangam K., Yang W., Tu J. Experimental measuring techniques for industrial-scale multiphase flow problems // Experimental and Computational Multiphase Flow. 2024. V. 6. N 1. P. 1–13. doi: 10.1007/s42757-023-0172-z

13. Wang R., Wang Y., Wang M., Wang Z., Chen X. Research on the influence of turbulence models on numerical simulation results of cross wavy heat exchanger channels // International Communications in Heat and Mass Transfer. 2025. V. 161. P. 108461. doi: 10.1016/j.icheatmasstransfer.2024.108461

14. Nguyen N.P., Maghsoudi E., Roberts S.N., Hofmann D.C., Kwon B. Understanding heat transfer and flow characteristics of additively manufactured pin fin arrays through laser-induced fluorescence and particle image velocimetry // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2024. V. 222. P. 125198. doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2024.125198

15. Seroshtanov V., Gusakov A. Gradient heatmetry and PIV investigation of heat transfer and flow near circular cylinders // Inventions. 2022. V. 7. N 3. P. 80. doi: 10.3390/inventions7030080

16. Chand A., Ali N., Tariq A. Experimental investigation of flow and heat transfer characteristics in the bend region of matrix channel // Experimental Thermal and Fluid Science. 2026. V. 172. P. 111632. doi: 10.1016/j.expthermflusci.2025.111632

17. Ligus G., Wasilewski M., Anweiler S., Masiukiewicz M., Jurić F., Wojciechowski S., Pochwała S. Towards a better understanding of high Reynolds number flow in U-tube heat exchangers: Insights from particle image velocimetry and computational fluid dynamics // Energy Conversion and Management. 2025. V. 343. P. 120211. doi: 10.1016/j.enconman.2025.120211

18. Wang C.-S., Wang E.-S., Huang Y.-J., Liou T.-M. PIV and IRT measurements of hydrothermal performance in a U-shaped heat exchanger with 3D printed detached curved ribs // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2023. V. 201. Part 1. P. 123562. doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2022.123562

19. Ligus G., Wasilewski M., Kołodziej S., Zając D. CFD and PIV investigation of a liquid flow maldistribution across a tube bundle in the shell-and-tube heat exchanger with segmental baffles // Energies. 2020. V. 13. N 19. P. 5150. doi: 10.3390/en13195150

20. Lee Y., Lee S., Park H.B., Seo K., Hsu W.-T., Moon H., et al. PIV visualization and CFD analysis of thermal–hydraulic performance in printed circuit heat exchangers with zigzag channels // Case Studies in Thermal Engineering. 2025. V. 73. P. 106446. doi: 10.1016/j.csite.2025.106446

21. Nobach H., Bodenschatz E. Limitations of accuracy in PIV due to individual variations of particle image intensities // Experiments in Fluids. 2009. V. 47. N 1. P. 27–38. doi: 10.1007/s00348-009-0627-4

22. Kadivar M., Tormey D., McGranaghan G. A comparison of RANS models used for CFD prediction of turbulent flow and heat transfer in rough and smooth channels // International Journal of Thermofluid. 2023. V. 20. P. 100399. doi: 10.1016/j.ijft.2023.100399