Численное моделирование динамики испаряющейся многофракционной парокапельной смеси метана в трубе с учетом закрутки потока
Автор: Тукмакова Надежда Алексеевна, Тукмаков Дмитрий Алексеевич
Журнал: Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика @vestnik-susu-power
Рубрика: Теплотехника
Статья в выпуске: 1 т.23, 2023 года.
Бесплатный доступ
Предметом работы является численное исследование термогидродинамических процессов в потоке метановой парокапельной смеси в одном из элементов устройства подогрева смесей газов и жидкостей. Темой исследования является изучение физических процессов, протекающих в аппаратах регазификации сжиженного природного газа. Цель работы - выявление закономерностей динамики полидисперсной парокапельной смеси в трубе с нагретыми стенками. Динамика несущей среды описывается системой уравнений Навье - Стокса для сжимаемой теплопроводной среды с учетом обмена массой, импульсом и энергией с дисперсной фазой. Дисперсная фаза включала в себя несколько фракций, отличающихся размерами. Каждая фракция описывается системой уравнений, состоящей из уравнения неразрывности для средней плотности, уравнений сохранения составляющих импульса и уравнения сохранения тепловой энергии с учетом взаимодействия многофракционной дисперсной фазы с несущей средой. Математическая модель учитывала закрутку потока посредством учета тангенциальных составляющих векторов скоростей несущей фазы и фракций дисперсной фазы. Системы уравнений движения несущей среды и фракций дисперсной фазы решаются явным конечно-разностным методом Мак-Кормака второго порядка. Для преодоления численных осцилляций используется схема нелинейной коррекции сеточной функции. На каждом временном шаге основная часть вычислительного алгоритма дополняется моделью испарения капель с последующей коррекцией гидро- и термодинамических параметров смеси. В результате расчетов выявлено существенное отличие в интенсивности испарения фракций жидкой метановой фазы смеси, имеющих различные размеры дисперсных включений, также было определено, что в процессе движения испаряющейся смеси наибольшее давление паровой фазы наблюдается вблизи отверстия втекания метановой смеси в трубу с подогретыми стенками. Выявленные закономерности возможно применить в устройствах, работающих с газожидкостными средами.
Сжиженный метан, парокапельная смесь, многофракционная дисперсная фаза, испарение, уравнения навье - стокса, метод конечных разностей
Короткий адрес: https://sciup.org/147240389
IDR: 147240389 | DOI: 10.14529/power230111
Список литературы Численное моделирование динамики испаряющейся многофракционной парокапельной смеси метана в трубе с учетом закрутки потока
- Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред. М.: Наука, 1987. Ч. 1. 464 с.
- Кутушев А.Г. Математическое моделирование волновых процессов в аэродисперсных и порошкообразных средах. СПб.: Недра, 2003. 283 с.
- Федоров А.В., Фомин В.М., Хмель Т.А. Волновые процессы в газовзвесях частиц металлов. Новосибирск, 2015. 301 c.
- Пат. RU 2467260 C2 Российская Федерация. Технологический нагреватель / Б.Ф. Серазетдинов, Ф.Ш. Серазетдинов, В.Г. Тонконог; заявитель и патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью «Нейт». № 2011100380/06; заявл. 11.01.2011; опубл. 20.11.2012. 11 с.
- Романюк Д.А., Циркунов Ю.М. Нестационарные двухфазные течения газа с частицами в решетках профилей // Известия Российской академии наук. Механика жидкости и газа. 2020. № 5. С. 33–45. DOI: 10.31857/S0568528120050126
- Суров В.С. Гиперболическая модель односкоростной теплопроводной смеси с учетом межфракционного теплообмена // Теплофизика высоких температур. 2018. Т. 56, № 6. С. 975–985. DOI: 10.31857/S004036440003570-1
- Арефьев К.Ю., Воронецкий А.В. Моделирование процесса дробления и испарения капель нереагирующей жидкости в высокоэнтальпийных газодинамических потоках // Теплофизика и аэромеханика. 2015. Т. 22, № 5. С. 609–620.
- Баянов И.М., Хамидуллин И.Р., Шагапов В.Ш. Об эволюции облака аэрозоля при диффузионном перемешивании с газом // Теплофизика высоких температур. 2007. Т. 45, № 5. С. 756–762.
- Пахомов М.А., Терехов В.И. Распределение концентрации частиц в газокапельном ограниченном закрученном потоке. Эйлеров и лагранжев подходы // Теплофизика высоких температур. 2020. Т. 58, № 6. С. 896–900. DOI: 10.31857/S0040364420060149
- Симаков Н.Н. Расчет межфазного тепломассообмена в факеле распыла форсунки с учетом кризиса сопротивления и тепломассообмена // Теоретические основы химической технологии. 2022. Т. 56, № 3. С. 345–357. DOI: 10.31857/S0040357122030137
- Моделирование и оптимизация теплообмена в криогенных газификаторах на примере газификационной установки СГУ-7КМ-У / С.В. Бородкин, И.Л. Батаронов, А.В. Иванов, В.И. Ряжских // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». 2021. Т. 21, № 3. С. 24–30. DOI: 10.14529/power210303
- Донской И.Г. Влияние добавок водяного пара и диоксида углерода на характеристики процесса кислородной газификации пылеугольного топлива // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». 2021. Т. 21, № 1. С. 21–28. DOI: 10.14529/power210102
- Investigation of interface deformation dynamics during high-Weber number cylindrical droplet breakup / J.W. Kaiser, J.M. Winter, S. Adami, N.A. Adams // International Journal of Multiphase Flow. 2020. Vol. 132. DOI: 10.1016/j.ijmultiphaseflow.2020.103409
- Hydrodynamic and thermal analysis of water, ethylene glycol and water-ethylene glycol as base fluids dispersed by aluminum oxide nano-sized solid particles / Y. Menni, A. Chamkha, N. Massarotti et al. // International Journal of Numerical Methods for Heat & Fluid Flow. 2020. Vol. 30, no. 9. P. 4349–4386. DOI: 10.1108/HFF-10-2019-0739
- Falsetti C., Magnini M., Thome J. Hydrodynamic and thermal analysis of a micro-pin fin evaporator for on-chip two-phase cooling of high density power micro-electronics // Applied Thermal Engineering. 2018. Vol. 130. P. 1425–1439. DOI:10.1016/j.applthermaleng.2017.10.117
- Unsteady magneto-hydrodynamic transport of rotating Maxwell nanofluid flow on a stretching sheet with Cattaneo–Christov double diffusion and activation energy / A. Bagh, N. Yufeng, H. Sajjad et al. // Thermal Science and Engineering Progress. 2020. Vol. 20. DOI: 10.1016/j.tsep.2020.100720
- Numerical analysis of the mean structure of gaseous detonation with dilute water spray / H. Watanabe, A. Matsuo, A. Chinnayya et al. // Journal of Fluid Mechanics. 2020. Vol. 887. DOI: 10.1017/jfm.2019.1018
- Numerical simulation of condensation of natural fog aerosol under acoustic wave action / C. Liu, Y. Zhao, Z. Tian, H. Zhou // Aerosol air and quality research. 2021. Vol. 21, no. 4. P. 1–21. DOI: 10.4209/aaqr.2020.06.0361
- Тукмаков А.Л., Тукмаков Д.А. Численное исследование влияния параметров дисперсных частиц на осаждение твердой фазы электрически заряженной полидисперсной газовзвеси // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Математика. Механика. Информатика. 2022. Т. 22, № 1. С. 90–102. DOI: 10.18500/1816-9791-2022-22-1-90-102
- Тукмаков А.Л., Тукмакова Н.А. Динамика полидисперсной парокапельной смеси с учетом дробления, коагуляции, испарения капель и конденсации пара // Теплофизика высоких температур. 2019. Т. 57, № 3. С. 437–445. DOI: 10.1134/S0040364419030190
- Тукмаков Д.А. Исследование влияния входных граничных условий при численном моделировании течения вязкого газа в плоском канале // Информационные системы и технологии. 2022. Т. 131, № 3. С. 20–28.
- Самойлович Г.С. Гидрогазодинамика. М.: Машиностроение, 1990. 384 с.
- Вержбицкий В.М. Основы численных методов. М.: Высшая школа, 2002. 840 с.
- Флетчер К. Вычислительные методы в динамике жидкостей. М.: Мир, 1991. Т. 2. 551 с.
- Steger J.L. Implicit finite-difference simulation of flow about arbitrary two-dimensional geometries // American Institute of Aeronautics and Astronautics Journal. 1978. Vol. 16, no. 7. P. 679–686.
- Музафаров И.Ф., Утюжников С.В. Применение компактных разностных схем к исследованию нестационарных течений сжимаемого газа // Математическое моделирование. 1993. Т. 5, № 3. С. 74–83.
- Термодинамические и теплофизические свойства продуктов сгорания: справ. в 5 т. Т. 1: Методы расчета / В.Е. Алемасов, А.Ф. Дрегалин, А.П. Тишин, В.А. Худяков. М.: ВИНИТИ, 1971. 267 с.
- Рид Р., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей. Л.: Химия, 1982. 496 с.
