Выбор и обоснование формы риблет для снижения гидравлических потерь и повышения теплопередачи в изделиях трубчатой формы

Рассмотрена актуальная проблема снижения гидравлических потерь и интенсификации теплообмена в трубчатых деталях путем оптимизации формы риблет. С помощью численного моделирования турбулентного течения (модель k–? SST) в программной среде ANSYS Workbench проведен сравнительный анализ эффективности риблет треугольной, трапецеидальной и прямоугольной формы. Установлено, что при одинаковых базовых размерах наилучшие гидродинамические и тепловые характеристики имеют прямоугольные риблеты. Они обеспечивают минимальное падение давления (1227,38 Па против 1533,25 Па у треугольных) и максимальную теплоотдачу (число Нуссельта Nu = 116,7). Риблеты прямоугольной формы эффективнее отдаляют крупные вихри от пограничного слоя, что не только снижает сопротивление, но и минимизирует вероятность отложения осадка на стенках трубы.
EDN: HLTZRQ, https://elibrary/hltzrq

Литература

[1] Алымов А.Д. Гидравлические потери в трубопроводных системах. Москва, Инфра-Инженерия, 2014. 298 с.

[2] Дерюгин В.В., Васильев В.Ф., Уляшева В.М. Тепломассообмен. Москва, Лань, 2020. 240 c.

[3] Dean В., Bhushan B. Shark-skin surfaces for fluid-drag reduction in turbulent flow: a review. Philos. Trans. A Math. Phys. Eng. Sci., 2010, vol. 368, no. 1929, pp. 4775–4806, doi: https://doi.org/10.1098/rsta.2010.0201

[4] Collicott S.H., Valentine D.T., Houghton E.L., Carpenter P.W. Chapter 3 — Viscous flow and boundary layers. Aerodynamics for Engineering Students, Butterworth-Heinemann, 2026, pp. 147–249, https://doi.org/10.1016/B978-0-32-399544-3.00007-4

[5] García-Mayoral R., Jiménez J. Hydrodynamic stability and breakdown of the viscous regime over riblets. J. Fluid Mech., 2011, vol. 678, pp. 317–347, doi: https://doi.org/10.1017/jfm.2011.114

[6] García-Mayoral R., Jiménez J. Drag reduction by riblets. Philos. Trans. A Math. Phys. Eng. Sci., 2011, vol. 369, no. 1940, pp. 1412–1427, doi: https://doi.org/10.1098/rsta.2010.0359

[7] Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. Москва, Дрофа, 2003. 840 c.

[8] Монин А.С., Яглом А.М. Статистическая гидромеханика. Ч. 1. Механика турбулентности. Москва, Наука, 1965. 640 c.

[9] Choi H., Moin P., Kim J. Direct numerical simulation of turbulent flow over riblets. J. Fluid Mech., 1993, vol. 255, pp. 503–539, doi: https://doi.org/10.1017/S0022112093002575

[10] Reynolds O. On the dynamical theory of incompressible viscous fluids and the determination of the criterion. Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 1895, vol. 186, pp. 123–164.

[11] Bergman T.L., Lavine A.S., Incropera F.P. et al. Fundamentals of heat and mass transfer. Wiley, 2011. 1080 p.

[12] Walsh M.J., Weinstein L.M. Drag and heat-transfer characteristics of small longitudinally ribbed surfaces. AIAA J., 1979, vol. 17, no. 7, pp. 770–771, doi: https://doi.org/10.2514/3.61216

[13] Soleimani S., Eckels S. A review of drag reduction and heat transfer enhancement by riblet surfaces in closed and open channel flow. Int. J. Thermofluids, 2021, vol. 9, art 100053, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijft.2020.100053

[14] Bechert D.W., Bruse M., Hage W. Experiments with three-dimensional riblets as an idealized model of shark skin. Exp. Fluids, 2000, vol. 28, no. 5, pp. 403–412, doi: https://doi.org/10.1007/s003480050400

[15] Sharma V., Dutta S. Investigation of Bio-inspired Sawtooth Riblets for Boundary Layer Flow Over a Flat Surface. Iran J Sci Technol Trans Mech Eng 47, 2023, pp. 1417–1435, https://doi.org/10.1007/s40997-023-00612-6

[16] Cherghani M.M., Malekan M.R. Shark skin-inspired surface designs for drag reduction in drinking water distribution pipes. Water Res., 2025, vol. 284, art. 123965, doi: https://doi.org/10.1016/j.watres.2025.123965

[17] ANSYS design modeler user’s guide. Version 2019 R1. ANSYS, 2019. 450 p.

[18] Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. Москва, Машиностроение, 1992. 672 c.

[19] Menter F.R. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications. AIAA J., 1994, vol. 32, no. 8, pp. 1598–1605, doi: https://doi.org/10.2514/3.12149

[20] Лыков А.В. Теория теплопроводности. Москва, Высшая школа, 1967. 600 c.