Сравнительный анализ турбулентных моделей при описании работы аппарата погружного горения
Журнал: Advanced Engineering Research (Rostov-on-Don) @vestnik-donstu
Рубрика: Механика
Статья в выпуске: 3 т.26, 2026 года.
Бесплатный доступ
Введение. Совершенствование аппарата погружного горения (АПГ) предполагает исследование его внутренней гидродинамики. Известны работы по численному моделированию аппаратов для регазификации сжиженного природного газа. Однако эти установки в отличие от выпарных не обеспечивают высокоскоростной ввод газового потока. Таким образом, не вполне разработана методика численного моделирования выпарных АПГ, которыми нагревают концентрированные рассолы и загрязненные среды. Цель работы — сравнительный анализ моделей турбулентности для численного моделирования гидродинамики АПГ с обоснованием рекомендаций по их выбору. Реализуются три задачи. Первая — создание набора численных моделей АПГ. Вторая — численные эксперименты с ними. Третья — выявление их сходств и различий по количественным и качественным результатам экспериментов. Материалы и методы. Для описания движения жидкости и газа в системе «жидкость – газ – твердые частицы» задействовали подход «Эйлер – Эйлер», для твердой фазы — «Эйлер – Лагранж». Уравнения турбулентных моделей последовательно включались в общую физико-математическую модель системы, которую замкнули эмпирическими соотношениями Шиллера – Науманна, Ишии – Зубера и Ранца – Маршалла. Задача решалась методом конечных объемов как в стационарном режиме, так и в нестационарном (здесь шаг по времени — 0,1 с). Турбулентность моделировали в гомогенной и гетерогенной постановках. Вычислительная среда — Ansys CFX. Ячейка сетки — 10 мм. Результаты исследования. Для восьми моделей рассчитаны удельная энергия турбулентных пульсаций, скорость, объем и температура жидкости в ячейке. Максимум по первому показателю — 0,361 (k – ω), минимум — 0,026 RNG (k – ε). По второму — 0,457 (DES) и 0,130 (k – ω) соответственно. По третьему — 1,339 (k – ω); 1,186 (DES). По четвертому — 58,7 (RNG k – ε); 28,2 (k – ω). Визуализированы поля скоростей жидкости для обоих режимов. Показан низкий разброс значений массы осевшей твердой фазы (1,18–1,38 кг). Обсуждение. EARSM (Explicit Algebraic Reynolds Stresses Model) воспроизводит структуру потока, близкую к k – ε и SST (Shear Stresses Transfer), что подтверждает достоверность их результатов. K – ω дает афизичный результат из-за отсутствия строгой симметрии поля скоростей. Гомогенная DES (Detached Eddy Simulation) воспроизводит максимальную асимметрию свободной поверхности жидкости. Полученный угол наклона (около 30º) не соответствует реальной гидродинамике в АПГ, значит, гомогенная DES неприменима. Установлены три случая наибольшей надежности: гомогенная k – ω (симметрия потока, минимальная средняя температура); гетерогенная RNG k – ε (максимальная средняя температура); гомогенная DES (максимальная деформация поверхности). SST рекомендуется для стационарных режимов, LES (Large Eddy Simulation) и гетерогенная SST — для процессов в динамике. Заключение. При численном моделировании АПГ счет оказался условно устойчивым. За отдельными исключениями модели турбулентности в целом равнозначны. Приводятся рекомендации по использованию моделей в стационарном и нестационарном режиме. В перспективе будут детально изучены причины воспроизводства моделями крайних результатов по температуре и искривлению поверхности.
Короткий адрес: https://sciup.org/142248823
IDS: 142248823 | УДК: 004.94; 532.5 | DOI: 10.23947/2687-1653-2026-26-3-2266
Comparative Analysis of Turbulence Models for the Description of the Operation of a Submerged Combustion Apparatus
Introduction. Improving the submerged combustion apparatus (SCA) requires a detailed understanding of its internal hydrodynamic behavior. There are studies on the numerical modeling of liquefied natural gas regasification units. However, these units, unlike vaporizers, do not provide high-velocity gas flow injection. Therefore, the methodology for numerical modeling of SCV (Submerged Combustion Vaporizer) used to heat concentrated brines and contaminated media has not been fully developed. The objective of this study is a comparative analysis of turbulence models for numerical simulation of aerodynamic flow paths and substantiation of recommendations for their selection. Three tasks are solved. The first is the creation of a set of numerical SCA models. The second involves numerical experiments with them. The third is the identification of their similarities and differences based on quantitative and qualitative experimental results. Materials and Methods. The Eulerian–Eulerian approach was used to describe the motion of liquid and gas in the liquid–gas–solid particle system, while the Eulerian–Lagrangian approach was used for the solid phase. The equations of the turbulence models were sequentially incorporated into a general physicomathematical model of the system, which was closed by the empirical relations of Schiller–Naumann, Ishii–Zuber, and Rantz–Marshall. The problem was solved using the finite volume method in both steady-state and transient modes (with a time step of 0.1 s). Turbulence was simulated in homogeneous and heterogeneous settings. The computational environment was Ansys CFX. The grid cell size was 10 mm. Results. For the eight turbulence models, the specific turbulent kinetic energy, velocity, liquid volume, and liquid temperature were calculated at the computational cell level. The maximum for the first indicator was 0.361 (k – ω), the minimum was 0.026 RNG (k – ε). For the second — 0.457 (DES) and 0.130 (k – ω), respectively. According to the third — 1.339 (k – ω); 1.186 (DES). According to the fourth — 58.7 RNG (k – ε); 28.2 (k – ω). The velocity fields were visualized for both modes. A low scatter of the deposited solid phase mass was observed (1.18–1.38 kg). Discussion. The EARSM (Explicit Algebraic Reynolds Stresses Model) reproduces a flow structure similar to k – ε and SST (Shear Stresses Transfer), thereby confirming the reliability of their results. The k – ω model yields an unphysical result due to the lack of strict symmetry of the velocity field. The homogeneous DES (Detached Eddy Simulation) predicts maximum free-surface asymmetry. The resulting inclination angle (approximately 30°) does not correspond to the actual hydrodynamics in the SCA; therefore, the homogeneous DES is inapplicable. Three cases of greatest reliability have been established: homogeneous k – ω (flow symmetry, minimum average temperature); heterogeneous RNG k – ε (maximum average temperature); homogeneous DES (maximum surface deformation). SST is recommended for stationary modes, LES (Large Eddy Simulation) and heterogeneous SST — for dynamic processes. Conclusion. In numerical simulations of the SCA, the calculations have proved to be conditionally stable. With a few exceptions, the turbulence models are generally equivalent. Recommendations are provided for using the models in steady-state and transient modes. In the future, the reasons for the extreme temperature and surface curvature results produced by the models will be studied in detail.
