Автореферат (Численное и экспериментальное моделирование процессов в двухфазном жидкостно-газовом эжекторе применительно к испытаниям реактивных двигателей), страница 3

Подвод жидкости в камеру смешенияосуществляется струйной форсункой 1 с регулируемым проходным сечением.Проходное сечение регулируется для изменения расхода истекающей изфорсунки жидкости. Регулировка производится перемещением центральноготела форсунки, в дальнейшем сокращённо называемого ЦТФ. Для регулировкиколичества воздуха, подаваемого в эжектор, форсунка 1 объединена с трубкойподачи жидкости 3 и образует центральное тело эжектора (в дальнейшем ЦТЭ).При перемещении ЦТЭ относительно оси эжектора происходит изменениепроходного сечения на входе в сопло эжектора.

Воздух, в свою очередь, подаетсяв эжектор через патрубок 4, связанный напрямую с атмосферой.10Рисунок 4. Конструкция эжектора в сборе.Подача жидкости в камеру смешения двухфазного жидкостно-газовогоэжектора осуществляется через струйную форсунку с регулируемым проходнымсечением (Рисунок 5). Она состоит из регулировочного винта, так называемогоцентрального тела форсунки (ЦТФ). Центральное тело ввернуто впилонообразное перекрестие. Вворачивая или выворачивая ЦТФ изменяетсяпроходное сечение форсунки и расход жидкости [1,4,5].Рисунок 5.

3d модель регулируемой форсункиПриводятся основные уравнения и допущения моделей расчета.Рассмотрим некоторые особенности рабочего тела (двухфазного потока),используемого в эжекторе для решения выше сформулированных задач. Эторавновесная модель двухфазного равновесного жидкостно-газового потока свысокой массовой концентрацией жидкости в газе в диапазоне массовыхсоотношений 30-100 массовых долей жидкости на 1 массовую долю газа. Камерадвухфазного жидкостно-газового эжектора работает в диапазоне от давленияменьше атмосферного до атмосферного давления.Как известно, для построения модели двухфазного потока используютсяследующие системы уравнений: для каждой фазы - уравнения неразрывности,количества движения, энергии и состояния, а также уравнения межфазноговзаимодействия и, если необходимо, то зависимости коэффициентов переноса(вязкости, теплопроводности, диффузии, теплоемкости).

При учететурбулентности используется осредненная система уравнений и различныемодели турбулентности. С учетом выше сделанных допущений для расчета11можно воспользоваться однородной моделью, имеющей одну температуру искорость.Различные фазы газо-жидкостных сред в ANSYS обозначаются строчнымигреческими буквами-индексами α, β, γ, и так далее, но для лучшегопредставления и понимания следует представлять теорию двухфазного потока вклассических обозначениях, то есть обозначим газовую фазу индексом 1, ажидкую индексом 2.

Например, объемная доля газа обозначается 1 . Такимобразом, объем 1 , занимаемый газовой фазой 1, в малом объеме V вокруг точкис объемной долей r1 определяется формулой (9):1 = 1 (9)Общее количество фаз для нашего конкретного случая определено как 2.Важно провести различие между плотностью фазы и эффективнойплотностью газо-жидкостной среды 1. Плотность материала фазы, 1 являетсяплотностью среды, только если представлена одна единственная фаза, то естьмасса фазы α на единицу объема фазы 1. Эффективная плотность определяетсяследующим образом:1~ = 1 1(10)Фактическая масса на единицу объема фазы 1, учитывая, что фаза 1занимает только часть объема, определяет плотность двухфазной смеси как: = 1 1 + 2 2(11)Учтём, что плотность газовой фазы определяется как:1 =(12)А плотность жидкости для нашего конкретного случая постоянна:2 = (13)Для расчета требуется вычислять среднее значение теплоемкостиоднородной двухфазной смеси в конечном объеме: = 1 1 + 2 2(14), где: 1 – массовая доля газовой фазы;2 – массовая доля жидкой фазы.11 =(15)1 +22 =2(16)1 +2, где: 1 – массовый расход газовой фазы;2 – массовый расход жидкой фазы.Рассмотрим отношения параметров фаз: массовых расходов= 21и отношение плотностей:= 2(17)(18)1Оценим значения объемных концентраций фаз, используя отношениеуравнений расхода фаз:2 = 2 2 2(19)11 1 1 12c учетом (10), (11), (18) объемная доля газовой фазы принимает следующийвид:1 = 1(20)+1Используя значения рабочего диапазона по расходам и давлениям, следуетзаключить, что среднее значение объемной концентрации газовой фазы 1 будетне ниже значения 0,9, что соответствует газокапельной структуре течения.

Этообстоятельство говорит о необходимости использовать в расчете турбулентныйхарактер течения в камере смешения эжектора. И уравнения модели должныбыть записаны через осредненные параметры (как уравнения Рейнольдса) сучетом дополнительных вязких напряжений и тепловых потоков, сиспользованием соответствующей модели турбулентности. Учитывая высокуюконцентрацию жидкости следует использовать условие равновесного течения поскорости и температуре и не учитывать зависимость теплоемкости икоэффициента вязкости от температуры. Следует также отметить, что большиескорости жидкости, используемые в эжекторе, и ее большая плотностьпозволяют пренебречь гравитацией.Тогда система уравнений математической модели может быть записана вследующем виде, аналогично модели сжимаемого газа с дополнениемсоотношений (10-16) и условием:µ = µ1 + µ2(21), Где µ коэффициенты молекулярной вязкости.⃗⃗⃗ = 0+ (22)⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ∙ ∇⃗ )⃗⃗⃗ = 1 ∇⃗ +∇⃗ (∇⃗ ∙⃗⃗⃗ ) + (∇⃗ ∙ ∇⃗ )⃗⃗⃗ + ∇⃗ ∗+ (3, Где:=(23)(24)коэффициент кинематической вязкости,⃗⃗⃗ – вектор скорости, ∗ -тензор турбулентных напряжений:2−′− ′ ′ − ′ ′2 ∗ = | −′2− ′− ′ ′ |′2(25)−′ ′ − ′ ′ − 2⃗⃗⃗ + 1 ∇⃗ (∇⃗ ∙ ⃗⃗⃗ )] ⃗⃗⃗ + + (ℎ + ) = [∆(26)23, Где: - диссипативная функция, - энергия от тепловых пульсационных потоков.Предлагаемая модель является одной из основных многофазных моделей,реализованных в ANSYS CFX, причем имеется ряд моделей турбулентности,позволяющих подобрать наиболее соответствующую экспериментальнымрезультатам, но целью данной работы не была оценка влияния моделейтурбулентности на качество результатов расчета, поэтому выбор модели13турбулентности основывался на сторонних работах посвященныхтурбулентности в двухфазных потоках.Для численного моделирования были выбраны четыре режима работыдвухфазного жидкостно-газового эжектора, выбор проводился исходя из тогочтобы давление подачи рабочей жидкости всегда было одинаково – 27 атмосфер,а изменялось проходное сечение форсунки и расход рабочего тела, параметрырасчета представлены в таблице 1.

Проходное сечение форсунки пересчитано стрехмерной модели, изменение сечения происходит за счет вворачивания иливыворачивания центрального тела форсунки по резьбе в пилоновидном телерегулируемой форсунки.Расходсекунду170205240275ЖидкостиграммвПлощадь сечения форсунки мм^21,83453,97585,73687,1182Таблица 1. Массовые расходы и проходные сечения регулируемойфорсункиДля моделирования была выбрана модель турбулентности SST, котораяобъединяет в себе лучшие качества - и - моделей.

Являетсянекойгибридноймодельютурбулентности, основанной на использовании впристеночной области - модели, а в ядре потока – - модели. Такойкомбинированный подход заключается в преобразовании уравнений - модели к - формулировке с помощью стыковочной функции вблизиповерхности и 1 = 0 за пределами пограничного слоя.В модели турбулентности SST турбулентная вихревая вязкость вычисляетсяиз турбулентной кинетической энергии и удельная скорость диссипации:Коэффициент турбулентной вязкости определяется по формуле: =(20)Модель SST - на основе модели BSL - учитывает переноснапряжения турбулентного сдвига и дает точные предсказания начала ивеличины разделения потока при неблагоприятных градиентах давления.Модель BSL сочетает в себе преимущества моделей Wilcox и - , но все же непозволяет правильно предсказать начало и степень отделения потока от гладкихповерхностей.

Этот недостаток подробно описан Ментером, и в первую очередьвозникает потому, что эти модели, не учитывают перенос турбулентногонапряжения сдвига, чрезмерно прогнозируя вихревую вязкость. Правильноеповедение переноса получено при введении ограничения при формированиипараметра вихревой вязкости:1 =(21)max(1 2 )где: = /(22)14Стыковочные функцииследующими формулами:1 = tanh(14 )1 =вмоделиSSTопределяются(23)4√∙500min(( ′ ′ 2 ) 2 2(24)Где: - расстояние до ближайшей стенки; - кинематическая вязкость;1 = max(21.0 ∙ 10−10 )(25)2 22 = tanh(2 )√∙5002 = max( ′ ′ 2 ) (26)(27)Исходя из условия снижения ресурсозатратности численногомоделирования, а частности снижения времени расчета, сетка строилась вANSYS mesher, что снизило время построения, толщина пограничного слоясоставляла 15 конечных элементов.

Общий вид сетки, области сгущения ипограничного слоя приведены рисунке 6. Сетка состоит из эжекторной части иструйной и включает 17715233 элемента и 8333773 узлов.Рисунок 6. Расчетная сетка в районе среза форсунки.При сравнении результатов численного моделирования процесса истеченияжидкости из пластиковой острокромочной форсунки с пилонами и центральнымтелом образующим кольцевой канал, с результатами численного моделированияпроцесса истечения жидкости из металлической регулируемой форсунки(Рисунок 6) было обнаружено, что металлическая форсунка имеет существенныегидравлические потери по ее тракту.

Данным фактом пришлось пожертвовать ввиду того, что металлическая форсунка предусматривалась регулируемой иимела сложности в изготовлении. Из-за образования данного перепада,снижалась скорость струи на выходе из эжектора, но для проверки численногомоделирования это было не существенно, так как оно очень точно отражалоизменения скоростей как в смесительном элементе, так и на выходе из форсунки.15Рисунок 6. Течение жидкости в пластиковой форсунке (слева) и вметаллической регулируемой (справа).В дальнейшем при проектировании смесительного элемента эта проблемарешается изменением конструкции и проектированием форсунки подконкретный режим работы эжектора.Результаты численного моделирования струи двухфазного жидкостногазового эжектора приведены на рисунке 7.4341170граммовСкорость м/с3937205граммов353331240гаммов2927275граммов25200300400500600700800Расстояние от среза ммРисунок 7.