<!DOCTYPE article
PUBLIC "-//NLM//DTD JATS (Z39.96) Journal Publishing DTD v1.4 20190208//EN"
       "JATS-journalpublishing1.dtd">
<article xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance" article-type="research-article" dtd-version="1.4" xml:lang="en">
 <front>
  <journal-meta>
   <journal-id journal-id-type="publisher-id">Bulletin of scientific research results</journal-id>
   <journal-title-group>
    <journal-title xml:lang="en">Bulletin of scientific research results</journal-title>
    <trans-title-group xml:lang="ru">
     <trans-title>Бюллетень результатов научных исследований</trans-title>
    </trans-title-group>
   </journal-title-group>
   <issn publication-format="online">2223-9987</issn>
  </journal-meta>
  <article-meta>
   <article-id pub-id-type="publisher-id">119600</article-id>
   <article-id pub-id-type="doi">10.20295/2223-9987-2026-1-185-195</article-id>
   <article-categories>
    <subj-group subj-group-type="toc-heading" xml:lang="ru">
     <subject>Общетехнические задачи и пути их решения</subject>
    </subj-group>
    <subj-group subj-group-type="toc-heading" xml:lang="en">
     <subject>GENERAL TECHNICAL PROBLEMS AND SOLUTION APPROACH</subject>
    </subj-group>
    <subj-group>
     <subject>Общетехнические задачи и пути их решения</subject>
    </subj-group>
   </article-categories>
   <title-group>
    <article-title xml:lang="en">Analysis of heat transfer dynamics within surface-mounted insulated cooled water pipeline</article-title>
    <trans-title-group xml:lang="ru">
     <trans-title>Анализ тепловых процессов внутри охлаждаемого надземного водовода с теплоизоляцией</trans-title>
    </trans-title-group>
   </title-group>
   <contrib-group content-type="authors">
    <contrib contrib-type="author">
     <name-alternatives>
      <name xml:lang="ru">
       <surname>Лапшин</surname>
       <given-names>Владимир Федорович</given-names>
      </name>
      <name xml:lang="en">
       <surname>Lapshin</surname>
       <given-names>Vladimir Fedorovich</given-names>
      </name>
     </name-alternatives>
     <bio xml:lang="ru">
      <p>доктор физико-математических наук;</p>
     </bio>
     <bio xml:lang="en">
      <p>doctor of physical and mathematical sciences;</p>
     </bio>
     <xref ref-type="aff" rid="aff-1"/>
    </contrib>
   </contrib-group>
   <aff-alternatives id="aff-1">
    <aff>
     <institution xml:lang="ru">Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I</institution>
     <city>Санкт-Петербург</city>
     <country>Россия</country>
    </aff>
    <aff>
     <institution xml:lang="en">Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University</institution>
     <city>Saint-Petersburg</city>
     <country>Russian Federation</country>
    </aff>
   </aff-alternatives>
   <pub-date publication-format="print" date-type="pub" iso-8601-date="2026-04-03T00:00:00+03:00">
    <day>03</day>
    <month>04</month>
    <year>2026</year>
   </pub-date>
   <pub-date publication-format="electronic" date-type="pub" iso-8601-date="2026-04-03T00:00:00+03:00">
    <day>03</day>
    <month>04</month>
    <year>2026</year>
   </pub-date>
   <volume>2026</volume>
   <issue>1</issue>
   <fpage>185</fpage>
   <lpage>195</lpage>
   <history>
    <date date-type="received" iso-8601-date="2025-12-05T00:00:00+03:00">
     <day>05</day>
     <month>12</month>
     <year>2025</year>
    </date>
    <date date-type="accepted" iso-8601-date="2026-03-04T00:00:00+03:00">
     <day>04</day>
     <month>03</month>
     <year>2026</year>
    </date>
   </history>
   <self-uri xlink:href="https://atjournal.ru/en/nauka/article/119600/view">https://atjournal.ru/en/nauka/article/119600/view</self-uri>
   <abstract xml:lang="ru">
    <p>Цель: выяснить роль конвективного и молекулярного механизмов теплообмена между водой и стенками трубопровода в процессе охлаждения надземного водовода с теплоизоляцией в условиях отрицательных температур окружающей среды. Получить аналитические выражения для зависимости чисел Нуссельта от средней температуры охлаждаемой воды и параметров трубопровода. Предложить средние значения чисел Нуссельта по интервалу температур, в котором происходит охлаждение воды, в качестве величин, определяющих скорость ее охлаждения. Методы: математическая модель процесса охлаждения водовода формулируется на основе уравнений гидромеханики и теплопроводности. Для получения аналитического решения модели используется квазистационарный подход, учитывающий, что процесс охлаждения воды происходит намного медленнее, чем процесс выравнивания температуры в стенке трубопровода и в слое теплоизолятора. Для характерных значений параметров водовода и внешней среды проводятся численные расчеты. Результаты: получены аналитические выражения для чисел Нуссельта при конвективном и молекулярном механизмах теплообмена между водой и стенками трубопровода. Выполнено сравнение эффективности этих механизмов и показано, что конвективный механизм является основным при охлаждении воды. Получены явные выражения для разности средней температуры воды в трубопроводе и на его внутренней поверхности. Показано, что процесс образования льда на внутренней поверхности трубопровода начинается еще до того, как весь объем воды остынет до температуры фазового перехода. Получена формула для расчета средней температуры воды, при которой начинается внутреннее обмерзание трубопровода. Для характерных значений параметров водовода выполнены численные расчеты этой температуры в широком диапазоне значений температуры окружающей среды. Практическая значимость: полученные результаты позволяют сформулировать адекватную математическую модель процесса охлаждения водовода с теплоизоляцией. Использование такой модели позволяет рассчитать динамику охлаждения воды и время до момента начала образования льда на внутренней поверхности трубопровода.</p>
   </abstract>
   <trans-abstract xml:lang="en">
    <p>Objective: to determine the comparative contributions of convective and molecular heat-transfer mechanisms between the fluid and the pipeline walls during the cooling of an above-ground thermally insulated water pipeline subjected to subzero ambient environmental  temperatures.  To  obtain  analytical  expressions that correlate the Nusselt numbers with the mean bulk temperature of the fluid undergoing cooling and the physical parameters of the pipeline’s infrastructure. Furthermore, the study proposes the adoption of Nusselt numbers, averaged across the specific thermal range of the cooling phase, as the definitive metrics for quantifying the cooling rate. Methods: a mathematical model of the water-pipeline cooling process was performed based on hydromechanics and thermal conductivity equations. The analytical resolution of this model employed a quasi-stationary approximation. This methodological approach is predicated on the physical observation that the thermal decay of the water mass occurs on a significantly longer time scale than the rapid thermal equilibration within the pipe material and its insulating layers. Numerical calculations were carried out to represent typical operational and environmental parameters. Results: analytical expressions for Nusselt numbers under convective and molecular mechanisms of heat transfer between the water and the pipeline walls have been obtained. The efficiency of these mechanisms has been compared, showing that the convective mechanism is the dominant mechanism of cooling water. Explicit expressions have been derived for the difference between the average water temperature in the pipeline and the temperature of its inner surface. It has been demonstrated that ice nucleation on the inner surface of the pipeline initiates prior to the entire water volume reaching the phase-transition temperature. A predictive formula has been developed to calculate the average water temperature at which this internal icing commences. Numerical calculations applied to this formula over a broad spectrum of ambient temperatures provided further validation for typical pipeline configurations. Practical significance: the obtained results permit the formulation of a high-fidelity mathematical model describing the thermal behavior of insulated hydraulic systems. The use of such a model enables precise calculation of cooling dynamics, specifically allowing operators to determine the critical time window available before the onset of ice formation on the pipeline walls.</p>
   </trans-abstract>
   <kwd-group xml:lang="ru">
    <kwd>надземный водовод</kwd>
    <kwd>конвективный и молекулярный механизмы теплообмена</kwd>
    <kwd>коэффициент теплопередачи</kwd>
    <kwd>математическая модель</kwd>
    <kwd>граничное условие</kwd>
   </kwd-group>
   <kwd-group xml:lang="en">
    <kwd>surface-mounted water pipeline</kwd>
    <kwd>convective and molecular heat exchange mechanisms</kwd>
    <kwd>heat transfer coefficient</kwd>
    <kwd>mathematical model</kwd>
    <kwd>boundary condition</kwd>
   </kwd-group>
  </article-meta>
 </front>
 <body>
  <p></p>
 </body>
 <back>
  <ref-list>
   <ref id="B1">
    <label>1.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Gilpin R. R. Cooling of a horizontal cylinder of water through its maximum density point at 4 °C // International Journal of Heat and Mass Transfer. 1975. Vol. 18. Pp. 1307–1315.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Gilpin R. R. Cooling of a horizontal cylinder of water through its maximum density point at 4 °C // International Journal of Heat and Mass Transfer. 1975. Vol. 18. Pp. 1307–1315.</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B2">
    <label>2.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Solving the problem of pipeline freezing with respect to external heat exchange / N. Parfenyeva [et al.] // Mechanika. 2015. Vol. 21 (5). Pp. 393–396. DOI: 10.5755/j01.mech.21.5.11411.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Solving the problem of pipeline freezing with respect to external heat exchange / N. Parfenyeva [et al.] // Mechanika. 2015. Vol. 21 (5). Pp. 393–396. DOI: 10.5755/j01.mech.21.5.11411.</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B3">
    <label>3.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Mathematical simulation of the freezing time of water in small diameter pipes / A. McDonald [et al.] // Applied Thermal Engineering. 2014. Vol. 73 (1). Pp. 142–153. DOI: 10.1016/j. applthermaleng.2014.07.046.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Mathematical simulation of the freezing time of water in small diameter pipes / A. McDonald [et al.] // Applied Thermal Engineering. 2014. Vol. 73 (1). Pp. 142–153. DOI: 10.1016/j. applthermaleng.2014.07.046.</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B4">
    <label>4.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Терехов Л. Д., Твардовская Н. В., Твардовская Е. А. Внутреннее обледенение водоводов в зимний период // III Бетанкуровский международный инженерный форум: сборник трудов (Санкт-Петербург, 2–3 декабря 2021 года). СПб.: ФГБОУ ВО ПГУПС, 2021. Т. 2. С. 161–164.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Terehov L. D., Tvardovskaya N. V., Tvardovskaya E. A. Vnutrennee obledenenie vodovodov v zimniy period // III Betankurovskiy mezhdunarodnyy inzhenernyy forum: sbornik trudov (Sankt-Peterburg, 2–3 dekabrya 2021 goda). SPb.: FGBOU VO PGUPS, 2021. T. 2. S. 161–164.</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B5">
    <label>5.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Terekhov L. D., Tvardovskaya N. V. Dynamics of internal pipeline icing in winter period when bringing it to freezing // Lecture Notes in Networks and Systems. 2022. Vol. 402. Pp. 871–879. DOI: 10.1007/978-3-030-96380-4_95.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Terekhov L. D., Tvardovskaya N. V. Dynamics of internal pipeline icing in winter period when bringing it to freezing // Lecture Notes in Networks and Systems. 2022. Vol. 402. Pp. 871–879. DOI: 10.1007/978-3-030-96380-4_95.</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B6">
    <label>6.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Температурный режим в магистральных стальных трубопроводах горячего водоснабжения при нарушениях циркуляции / Д. Н. Китаев [и др.] // Известия вузов. Строительство. 2017. № 3 (699). С. 62–68.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Temperaturnyy rezhim v magistral'nyh stal'nyh truboprovodah goryachego vodosnabzheniya pri narusheniyah cirkulyacii / D. N. Kitaev [i dr.] // Izvestiya vuzov. Stroitel'stvo. 2017. № 3 (699). S. 62–68.</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B7">
    <label>7.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Alawadhi E. M. Phase change process with free convection in a circular enclosure: numerical simulations // Computers &amp; Fluids. 2004. Vol. 33 (10). Pp. 1335–1348. DOI: 10.1016/j. compfluid.2003.11.002.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Alawadhi E. M. Phase change process with free convection in a circular enclosure: numerical simulations // Computers &amp; Fluids. 2004. Vol. 33 (10). Pp. 1335–1348. DOI: 10.1016/j. compfluid.2003.11.002.</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B8">
    <label>8.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Лапшин В. Ф. Расчет времени  охлаждения  надземного  водовода  с  теплоизоляцией в условиях отрицательных температур // Известия Петербургского университета путей сообщения. 2024. Т. 21, вып. 1. С. 103–112. DOI: 10.20295/1815-588X-2024-01-103-112.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Lapshin V. F. Raschet vremeni  ohlazhdeniya  nadzemnogo  vodovoda  s  teploizolyaciey v usloviyah otricatel'nyh temperatur // Izvestiya Peterburgskogo universiteta putey soobscheniya. 2024. T. 21, vyp. 1. S. 103–112. DOI: 10.20295/1815-588X-2024-01-103-112.</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B9">
    <label>9.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Lapshin V. F. Simulation of cooling of aboveground water pipeline with heat insulation // E3S Web of Conferences. 2024. Vol. 583. P. 02022. DOI: 10.1051/e3sconf/202458302022.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Lapshin V. F. Simulation of cooling of aboveground water pipeline with heat insulation // E3S Web of Conferences. 2024. Vol. 583. P. 02022. DOI: 10.1051/e3sconf/202458302022.</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B10">
    <label>10.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Martynenko O. G., Khramtsov P. P. Free-convective heat transfer. Berlin, Heidelberg: Springer, 2005. 518 p. DOI: 10.1007/3-540-28498-2.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Martynenko O. G., Khramtsov P. P. Free-convective heat transfer. Berlin, Heidelberg: Springer, 2005. 518 p. DOI: 10.1007/3-540-28498-2.</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B11">
    <label>11.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Лыков А. В. Теория теплопроводности. М.: Высшая школа, 1967. 600 с.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Lykov A. V. Teoriya teploprovodnosti. M.: Vysshaya shkola, 1967. 600 s.</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B12">
    <label>12.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Физические величины: справочник / под ред. И. С. Григорьева, Е. З. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991. 1232 с.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Fizicheskie velichiny: spravochnik / pod red. I. S. Grigor'eva, E. Z. Meylihova. M.: Energoatomizdat, 1991. 1232 s.</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
  </ref-list>
 </back>
</article>
