Сравнение численного и экспериментального моделирования теплообмена в монолитных алюминиевых профилях

В работе приведены результаты численно-экспериментального исследования процессов сопряжённого теплообмена в монолитных алюминиевых профилях, применяемых в конструкции маслоохладителей. Цель исследования – выполнить валидацию моделей вычислительной гидродинамики (CFD-моделей) по данным лабораторных испытаний, а также провести кроссплатформенное сопоставление результатов, полученных с помощью открытого программного пакета для вычислительной гидродинамики OpenFOAM v10 и модуля ANSYS CFX 2023 R1, при согласованной физико-математической постановке. В численной части реализованы трёхмерные CFD-модели профилей с учётом теплопроводности алюминиевого тела и конвекции на внешней поверхности. Использована модель турбулентности SST и стационарная постановка задачи сопряжённого теплообмена. В экспериментальной части испытан полноразмерный маслоохладитель при скорости воздушного потока 6 м/с, температуре воздуха 20 °C и температуре воды 80 °C. Получены зависимости перепада температуры теплоносителя от геометрических параметров профиля. Наибольшую эффективность показал тонкостенный профиль 45тн, наименьшую – толстостенный 45тл. Кроссплатформенная верификация показала согласованность результатов между платформами, а валидация по эксперименту подтвердила адекватность выбранных физических моделей и численных схем для оценки интегральных характеристик теплообмена. При этом оценена точность моделирования: для OpenFOAM среднее расхождение составило 4 %, а для ANSYS CFX 6 %. Полученные результаты могут быть использованы при оптимизации геометрии алюминиевых профилей и проектировании компактных теплообменных аппаратов.

1. Стройков А.Е. Способ изготовления радиатора: пат. № 2 810 937 C1 Российская Федерация. № 2023104121; заявл. 22.02.2023; опубл. 09.01.2024. бюл. № 1. Заявитель и патентообладатель: Стройков А. Е. Доступно по ссылке: https://patents.google.com/patent/RU2810937C1, дата обращения: 01.04.2026. / Stroikov A.E. Method for manufacturing a radiator. Patent RU 2810937 C1, Russian Federation, no. 2023104121; filed Feb 22, 2023; published Jan 9, 2024. Applicant and patentee: A. E. Stroikov. Available at: https://patents.google.com/patent/RU2810937C1, accessed 01.04.2026.

2. Байметова Е.С., Митрюкова Е.А. Численное и экспериментальное исследование гидродинамики теплообменного аппарата. Труды ИСП РАН. Серия: Математическое моделирование и вычислительные методы, 2023, т. 35, № 6, стр. 235-246. DOI: 10.15514/ISPRAS-2023-35(6)-15. / Baymetova E.S., Mitryukova E.A. Numerical and experimental study of hydrodynamics of a heat exchanger. Proceedings of the ISP RAS. Series: Mathematical Modeling and Computational Methods, 2023, vol. 35, no. 6, pp. 235-246. DOI: 10.15514/ISPRAS-2023-35(6)-15.

3. Белов А.М. Исследование методом конечных элементов теплообменных процессов забортного теплообменного аппарата. Труды Крыловского государственного научного центра, 2023, № 3, стр. 405-414. DOI: 10.24937/2542-2324-2023-3-405-126-134. / Belov A.M. Finite Element Study of Heat Exchange Processes in an External Heat Exchanger. Proceedings of the Krylov State Research Centre, 2023, no. 3, pp. 405-414. DOI: 10.24937/2542-2324-2023-3-405-126-134.

4. Хабибуллин И.И. Численное моделирование процессов теплообмена в аппарате воздушного охлаждения масла. Новые технологии и оборудование, 2020, № 2, стр. 33-39. DOI: 10.37412/NTiO-2020-2-33-39. / Khabibullin I.I. Numerical Simulation of Heat Transfer Processes in an Air Oil Cooler. New Technologies and Equipment, 2020, no. 2, pp. 33-39. DOI: 10.37412/NTiO-2020-2-33-39.

5. Сурнин А.Д., Чернова А.А. Исследование рабочих процессов в маслоохладителе с копьевидными рёбрами. Материалы Ivannikov ISP RAS Open Conference (ISPRAS), Москва, Россия, 11-12 декабря 2024 г. IEEE, 2025. DOI: 10.1109/ISPRAS64596.2024.10899114. / Surnin A.D., Chernova A.A. Research of Operating Processes in Oil Cooler with Spear-Shaped Fins. In: Proc. 2024 Ivannikov ISP RAS Open Conference (ISPRAS), Moscow, Russia, Dec. 11-12, 2024. IEEE, 2025. DOI: 10.1109/ISPRAS64596.2024.10899114.

6. Сурнин А.Д. Влияние расхода охлаждающей жидкости на эффективность теплоотдачи в ребристой трубе. Diagnostics, Resource and Mechanics of Materials and Structures, 2024, № 5, стр. 107-116. DOI: 10.17804/2410-9908.2024.5.107-116. / Surnin A.D. The Effect of Coolant Flow Rate on the Cooling Efficiency of a Finned Tube. Diagnostics, Resource and Mechanics of Materials and Structures, 2024, no. 5, pp. 107-116. DOI: 10.17804/2410-9908.2024.5.107-116.

7. Сурнин А.Д. Профиль алюминиевый ячеистый: пат. № 229 205 U1 Российская Федерация. № 2023129670; заявл. 15.11.2023; опубл. 26.09.2024. Патентообладатель: ООО «Ижевский завод радиаторов». Доступно по ссылке: https://patents.google.com/patent/RU229205U1, дата обращения 01.04.2026.

8. Ментер Ф. Р. Двухпараметрические модели турбулентности на основе вихревой вязкости для инженерных приложений. AIAA Journal, 1994, т. 32, № 8. стр. 1598-1605. DOI: 10.2514/3.12149. / Menter F. R. Two-Equation Eddy-Viscosity Turbulence Models for Engineering Applications. AIAA Journal, 1994, vol. 32, no. 8, pp. 1598–1605. DOI: 10.2514/3.12149.

9. Чернова А. А. Валидация RANS-моделей турбулентности для задачи сопряжённого теплообмена. Nonlinear Physics and Mechanics, 2024, т. 10, № 2, стр. 35-45. MSC 2010: 35Q30, 76-10, 76N15. / Chernova A. A. Validation of RANS Turbulence Models for the Conjugate Heat Exchange Problem. Nonlinear Physics and Mechanics, 2024, vol. 10, no. 2, pp. 35-45. MSC 2010: 35Q30, 76-10, 76N15.

10. Versteeg H. K., Malalasekera W. An Introduction to Computational Fluid Dynamics: The Finite Volume Method. 2nd ed. Harlow: Pearson Education, 2007. 503 p. / Верстиг Х. К., Малаласекера В. Введение в вычислительную гидродинамику: метод конечных объёмов. 2-е изд. Харлоу: Pearson Education, 2007, 503 с.

11. ANSYS Inc. ANSYS CFX-Solver Theory Guide. Canonsburg, PA: ANSYS Inc., 2024. 432 p. / ANSYS Inc. Руководство по теории решателя ANSYS CFX. Кэнонсберг, Пенсильвания: ANSYS Inc., 2024, 432 с.

12. OpenFOAM Foundation. The OpenFOAM User Guide. Version 10. London: OpenCFD Ltd, 2023. Available at: https://www.openfoam.com/documentation/overview, accessed 01.04.2026.

13. FreeCAD Development Team. FreeCAD Documentation. Version 0.19. Available at: https://www.freecad.org/, accessed 01.04.2026.