avroenОмский научный вестник. Серия "Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение"Omsk Scientific Bulletin. Series Aviation-Rocket and Power Engineering2588-03732587-764XОмский государственный технический университет10.25206/2588-0373-2026-10-1-13-21OZHBQWavroen-146Research ArticleЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ И ХИМИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕPOWER AND CHEMICAL ENGINEERINGОценка теплогидравлической эффективности прямоугольных риблет на внутренней поверхности трубыNumerical evaluation of the thermal-hydraulic performance of rectangular riblets in a tubehttps://orcid.org/0000-0001-9416-7749ЗайдесС. А.ZaidesS. A.

ЗАЙДЕС Семен Азикович, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры «Материаловедение, сварочные и аддитивные технологии»

AuthorID (РИНЦ): 324067

664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83

ZAIDES Semen Azikovich, Doctor of Technical Sciences, Professor, Professor of the Materials Science, Welding and Additive Technologies Department

AuthorID (RSCI): 324067

Lermontov St., 83, Irkutsk, 664074

zsa@ex.istu.eduhttps://orcid.org/0009-0001-5189-2884ЧанТуан ЗунгTranTuan Dung

ЧАН Туан Зунг, аспирант кафедры «Материаловедение, сварочные и аддитивные технологии»

664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83

TRAN Tuan Dung, Postgraduate of the Materials Science, Welding and Additive Technologies Department

Lermontov St., 83, Irkutsk, 664074

trantuandung98@gmail.comИркутский национальный исследовательский технический университетРоссияIrkutsk National Research Technical UniversityRussian Federation2026310320261011321Copyright © Зайдес С.А., Чан Т., 20262026Зайдес С.А., Чан Т.Zaides S.A., Tran T.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ariem.omgtu.ru/jour/article/view/146

Целью данной работы является исследование возможности интенсификации теплообмена и снижения гидравлических потерь в трубопроводных системах за счет использования структурированных поверхностей.В статье выполнена оценка теплогидравлической эффективности прямоугольных риблет высотой h = 1 мм и отношениям высоты к ширине h/t = 1,1 по сравнению с гладкой поверхностью и поверхностями с эквивалентными песочными шероховатостями (высотой 0,2; 0,3; 0,4 и 0,5 мм), в условиях полностью развитого турбулентного течения при числе Рейнольдса Re = 20 000. Исследование проведено на основе результатов CFD-моделирования в Ansys Fluent 19.1 R1 с использованием периодических граничных условий.Результаты показывают, что, в отличие от других видов поверхностей, исследуемая поверхность с прямоугольными риблетами демонстрирует высокую теплогидравлическую эффективность среди всех рассмотренных форм поверхности труб (на 86 % выше по сравнению с гладкой поверхностью). Полученные данные указывают на высокий потенциал широкого применения риблет в теплогидравлических системах.

The aim of the research is to explore the potential for enhancing heat transfer and reducing hydraulic losses in piping systems by employing structured surfaces.An evaluation of the thermal-hydraulic performance of rectangular riblets with a height of h = 1 mm and a height-to-width ratio of h/t = 1.1 is performed in comparison with a smooth surface and surfaces with equivalent sand-grain roughness (heights of 0.2; 0.3; 0.4; and 0.5 mm) under fully developed turbulent flow conditions at a Reynolds number of Re = 20 000. The authors conduct the research basing on CFD simulation results by the Ansys Fluent 19.1 R1 with periodic boundary conditions.The results show that, unlike other surface types, the investigated surface with rectangular riblets demonstrates high thermal-hydraulic efficiency among all considered pipe surface forms (86 % higher compared to the smooth surface). Therefore, the research clearly demonstrates the high potential for the widespread application of riblets in thermal-hydraulic systems.

риблетышероховатая поверхностьчисло Рейнольдсатеплогидравлическая эффективностьгидравлическое сопротивлениепериодические граничные условияribletsrough surfaceReynolds numberthermal-hydraulic performancehydraulic resistanceperiodic boundary conditionsReferencesМитрофанова О. В. Гидродинамика и теплообмен в закрученных потоках в каналах ядерных энергетических установок: монография. Москва: Физматлит, 2010. 286 с. ISBN 978-5-9221-1223-9.Mitrofanova O. V. Gidrodinamika i teploobmen v zakruchennykh potokakh v kanalakh yadernykh energeticheskikh ustanovok [Hydrodynamics and heat transfer in swirling flows in channels of nuclear power plants]. Moscow, 2010. 286 p. ISBN 978-5-9221-1223-9. (In Russ.).Leontiev A. I., Lushchik V. G., Makarova M. S. Temperature recovery factor in the boundary layer on a permeable plate. High Temperature. 2017;55(2):246–252. https://doi.org/10.1134/S0018151X17020080.Leontiev A. I., Lushchik V. G., Makarova M. S. Temperature recovery factor in the boundary layer on a permeable plate. High Temperature. 2017;55(2):246–252. https://doi.org/10.1134/S0018151X17020080.Dean B., Bhushan B. Shark-skin surfaces for fluid-drag reduction in turbulent flow: a review. Philosophical Transactions of the Royal Society A. 2010;368(1929):4775–4806. https://doi.org/10.1098/rsta.2010.0201. EDN: OCZZWV.Dean B., Bhushan B. Shark-skin surfaces for fluid-drag reduction in turbulent flow: a review. Philosophical Transactions of the Royal Society A. 2010;368(1929):4775–4806. https://doi.org/10.1098/rsta.2010.0201. EDN: OCZZWV.Garcia-Mayoral J., Jimenez J. Drag reduction by riblets. Philosophical Transactions of the Royal Society A. 2011;369(1940):1412–1427. https://doi.org/10.1098/rsta.2010.0347.Garcia-Mayoral J., Jimenez J. Drag reduction by riblets. Philosophical Transactions of the Royal Society A. 2011;369(1940):1412–1427. https://doi.org/10.1098/rsta.2010.0347.Гарбарук А. В., Стрелец М. Х., Шур М. Л. Моделирование турбулентности в расчетах сложных течений: монография. Санкт-Петербург: Изд-во Политехн. ун-та. 2012. 88 с. ISBN 978-5-7422-3349-7. EDN: QJZWON.Garbaruk A. V., Strelets M. Kh., Shur M. L. Modelirovaniye turbulentnosti v raschetakh slozhnykh techeniy [Turbulence modeling in complex flow calculations]. Saint Petersburg, 2012. 88 p. ISBN 978-5-7422-3349-7 EDN: QJZWON. (In Russ.).Soleimani S., Eckels S. A review of drag reduction and heat transfer enhancement by riblet surfaces in closed and open channel flow. International Journal of Thermofluids. 2021;9:1–15. https://doi.org/10.1016/j.ijft.2020.100053. EDN: DFVAJB.Soleimani S., Eckels S. A review of drag reduction and heat transfer enhancement by riblet surfaces in closed and open channel flow. International Journal of Thermofluids. 2021;9:1–15. https://doi.org/10.1016/j.ijft.2020.100053. EDN: DFVAJB.Webb R. L., Kim N.-H. Principles of enhanced heat transfer. New York: Taylor & Francis, 2005. 846 p. https://doi.org/10.4324/9780203017869.Webb R. L., Kim N.-H. Principles of enhanced heat transfer. New York: Taylor & Francis, 2005. 846 p. https://doi.org/10.4324/9780203017869.Bechert D. W., Bruse M., Hage W. [et al.]. Experiments on drag-reducing surfaces and their optimization with an adjustable geometry. Journal of Fluid Mechanics. 1997;338:59–87. https://doi.org/10.1017/S0022112096004673. EDN: ECLQYP.Bechert D. W., Bruse M., Hage W. [et al.]. Experiments on drag-reducing surfaces and their optimization with an adjustable geometry. Journal of Fluid Mechanics. 1997;338:59–87. https://doi.org/10.1017/S0022112096004673. EDN: ECLQYP.Walsh M. J. Riblets as a viscous drag reduction technique. AIAA Journal. 1983;21(4):485–486. https://doi.org/10.2514/3.60126.Walsh M. J. Riblets as a viscous drag reduction technique. AIAA Journal. 1983;21(4):485–486. https://doi.org/10.2514/3.60126.Walsh M. J. Turbulent boundary layer drag reduction using riblets. AIAA Paper. 2012;82-0169:1–11. https://doi.org/10.2514/6.1982-169.Walsh M. J. Turbulent boundary layer drag reduction using riblets. AIAA Paper. 2012;82-0169:1–11. https://doi.org/10.2514/6.1982-169.Lushchik V. G., Makarov A. E., Yakubenko A. E. Heat transfer and friction on surfaces with longitudinal ribs. Thermophysics and Aeromechanics. 2005;43:881–889. https://doi.org/10.1007/s10740-005-0135-z. EDN: LJBOYP.Lushchik V. G., Makarov A. E., Yakubenko A. E. Heat transfer and friction on surfaces with longitudinal ribs. Thermophysics and Aeromechanics. 2005;43:881–889. https://doi.org/10.1007/s10740-005-0135-z. EDN: LJBOYP.ANSYS Inc. ANSYS Design Modeler User’s Guide. Version 2019 R1. Canonsburg, PA. USA: ANSYS Inc., 2019. 450 p.ANSYS Inc. ANSYS Design Modeler User’s Guide. Version 2019 R1. Canonsburg, PA. USA: ANSYS Inc., 2019. 450 p.Eggels J., Unger F., Weiss M. [et al.]. Fully developed turbulent pipe flow: a comparison between direct numerical simulation and experiment. Journal of Fluid Mechanics. 1994;268:175–209. https://doi.org/10.1017/S002211209400131X.Eggels J., Unger F., Weiss M. [et al.]. Fully developed turbulent pipe flow: a comparison between direct numerical simulation and experiment. Journal of Fluid Mechanics. 1994;268:175–209. https://doi.org/10.1017/S002211209400131X.Волков К. Н., Емельянов В. Н. Вычислительные технологии в задачах механики жидкости и газа: монография. Москва: Физматлит. 2012. 468 с. ISBN 978-5-9221-1438-7. EDN: UGLCIR.Volkov K. N., Emel’yanov V. N. Vychislitel’nyye tekhnologii v zadachakh mekhaniki zhidkosti i gaza [Computational technologies in problems of fluid and gas mechanics]. Moscow, 2012. 468 p. ISBN 978-5-9221-1438-7. EDN: UGLCIR. (In Russ.).Menter F. R. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications. AIAA Journal. 1994;32(8):1598–1605. https://doi.org/10.2514/3.12149.Menter F. R. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications. AIAA Journal. 1994;32(8):1598–1605. https://doi.org/10.2514/3.12149.Chung D., Hutchins N., Schultz M. P., Flack K. A. Predicting the Drag of Rough Surfaces. Annual Review of Fluid Mechanics. 2021; Vol. 53. P. 439–471. https://doi.org/10.1146/annurev-fluid-062520-115127.Chung D., Hutchins N., Schultz M. P., Flack K. A. Predicting the Drag of Rough Surfaces. Annual Review of Fluid Mechanics. 2021; Vol. 53. P. 439–471. https://doi.org/10.1146/annurev-fluid-062520-115127.Schlichting H., Gersten K. Boundary-layer theory. 9th revised ed. Berlin: Springer, 2017. 805 p. https://doi.org/10.1007/978-3-662-52919-5.Schlichting H., Gersten K. Boundary-layer theory. 9th revised ed. Berlin: Springer, 2017. 805 p. https://doi.org/10.1007/978-3-662-52919-5.Andersson B., Andersson R., Håkansson L. [et al.]. Computational fluid dynamics for engineers. Cambridge: Cambridge University Press, 2011. 216 p. ISBN 978-1-107-01895-2.Andersson B., Andersson R., Håkansson L. [et al.]. Computational fluid dynamics for engineers. Cambridge: Cambridge University Press, 2011. 216 p. ISBN 978-1-107-01895-2.Blocken B., Stathopoulos T., Carmeliet J. CFD simulation of the atmospheric boundary layer: wall function problems. Atmospheric Environment. 2007;41(2):238–252. https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2006.08.019.Blocken B., Stathopoulos T., Carmeliet J. CFD simulation of the atmospheric boundary layer: wall function problems. Atmospheric Environment. 2007;41(2):238–252. https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2006.08.019.Идельчик И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / под ред. М. О. Штейнберга. 3-е изд., перераб. и доп. Москва: Машиностроение, 1992. 672 с.Idel’chik I. E. Spravochnik po gidravlicheskim soprotivleniyam [Handbook of hydraulic resistance]. Ed. by M. O. Shteynberga. 3rd ed., revised and add. Moscow, 1992. 672 p. (In Russ.).Патанкар С. В. Численное решение задач теплопроводности и конвективного теплообмена при течении в каналах / пер. с англ. Е. В. Калабина / под ред. Г. Г. Янькова. Москва: МЭИ, 2003. ISBN 5-7046-0898-1. EDN: QMIDVJ.Patankar S. V. Chislennoye resheniye zadach teploprovodnosti i konvektivnogo teploobmena pri techenii v kanalakh [Numerical solution of the thermal conductivity and convective heat transfer while channels flow]. Transl. from Engl. by E. V. Kalabina. Ed. by G. G. Yan’kova. Moscow, 2003. ISBN 5-7046-0898-1. EDN: QMIDVJ. (In Russ.).Попов И. А., Махянов Х. М., Гуреев В. М. Физические основы и промышленное применение интенсификации теплообмена: монография / под общ. ред. Ю. Ф. Гортышова. Казань: Центр инновационных технологий, 2009. 560 с. ISBN 978-5-93962-383-4. EDN: QMKUGF.Popov I. A., Makhyanov Kh. M., Gureyev V. M. Fizicheskiye osnovy i promyshlennoye primeneniye intensifikatsii teploobmena [Physical foundations and industrial application of heat exchange intensification]. Ed. by Yu. F. Gortyshova. Kazan, 2009. 560 p. ISBN 978-5-93962-383-4. EDN: QMKUGF. (In Russ.).Cherghani M. M., Malekan M. R. Shark skin-inspired surface designs for drag reduction in drinking water distribution pipes. Water Research. 2022;284(15):1–9. https://doi.org/10.1016/j.watres.2025.123965. EDN: LRBHMI.Cherghani M. M., Malekan M. R. Shark skin-inspired surface designs for drag reduction in drinking water distribution pipes. Water Research. 2022;284(15):1–9. https://doi.org/10.1016/j.watres.2025.123965. EDN: LRBHMI.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.