Диссертация (1144032), страница 14
Текст из файла (страница 14)
Как и аналитическая модель, полученная в работе [9],зависимость, полученная путем численного моделирования, показываетсхожую динамику. В отличие от зависимости массовой скорости отобъемного паросодержания, зависимость массового расхода от массовойдоли пара демонстрирует вогнутый характер.90Рисунок 4.7 Сопоставление опытных данных с аналитической зависимостьюи численным расчетом при засыпке различных диаметров.Результаты [9] экспериментальных исследований и аналитическогорасчета были сопоставлены с численным расчетом зависимости массовогорасхода и массового паросодержания для двух рабочих участков длиной250 мм и 355 мм.
В обоих случаях наблюдается схожий характерзависимостей как в эксперименте, так и расчетах. При этом увеличениемассовой доли пара приводит к нелинейному уменьшению критическогорасхода смеси. Стоит отметить, что на более коротком участке (рисунок 4.8)удается получить более высокий массовый расход по сравнению с участкомдлиной 355 мм (рисунок 4.9) при одинаковых условиях, что может бытьобъяснено меньшими гидравлическими потерями на участке меньшей длины.91Рисунок 4.8 Сопоставление опытных данных с аналитической зависимостьюи численным расчетом при разных давлениях (рабочий участок длиной250 мм)Рисунок 4.9 Сопоставление опытных данных с аналитической зависимостьюи численным расчетом при разных давлениях (рабочий участок длиной355 мм)92Скольжение фаз является важным критерием оценки динамикидвухфазных потоков (рисунок 4.10). В работе [61] была полученазависимость коэффициента скольжения от массового паросодержания всмеси.
Путем проведения численных расчетов была получена аналогичнаязависимость. Интерес к расчету коэффициента скольжения численным путембыл обусловлен также тем, что в отличие от аналитической модели [9], вчисленной модели коэффициент скольжения явно не задан. Его определениевозможно лишь косвенным путем. Для расчета коэффициента скольжения вчисленноймоделиопределялисьобластипараижидкости.Затемвычислялись средние скорости движения ансамбля сглаженных частиц,принадлежащих жидкой и паровой фазам на границе раздела фаз.Впоследствии проводился расчет отношения скоростей движения жидкой ипаровой фаз для определения коэффициента скольжения.Рисунок 4.10 Коэффициент скольжения фаз в зависимости от массовогопаросодержания (непрерывной линией показан аналитический расчет,пунктирной - численный)93Полученазависимостьмаксимальногомассовогорасходавзависимости от массовой доли пара в смеси (рисунок 4.11).
Благодарячисленной модели удалось получить зависимость с большим количествомхарактерныхточекэкспериментальнымпосравнениюданнымсзависимостьэкспериментом.Аналогичнодемонстрируетнелинейныйхарактер и убывает с увеличением доли пара в смеси. Подобная зависимостьможет быть объяснена уменьшением плотности двухфазной смеси, что всвою очередь приводит к уменьшению массового расхода.Рисунок 4.11 Максимальный массовый расход в зависимости от перепададавления (1 – эксперимент, 2 - расчет)На рисунке 4.12 показан процесс прохождения парожидкостной смесьюрабочего участка.94абвгРисунок. 4.12 Процесс течения парожидкостной смеси в канале сзасыпкой в различные моменты времени: а – начальный момент, б – 120 мс, в– 150 мс, г – 250 мсНа рисунке 4.13 представлена визуализация двухфазного потока всечении трубы при наличии зернистого слоя.
Поток демонстрирует сложнуюнерегулярную структуру.Рисунок 4.13 Визуализация течения парожидкостного потока в сечениирабочего участкаВвиду неоднородности потока, продемонстрированного на рис 4.12,для исследования структуры потока необходимо применение статистическихметодов. Для этого сечение трубы разделялось на секции, в каждой секции накаждойитерациирассчитываласьобъемнаядоляпара.Вконцевычислительного эксперимента проводилось осреднение по времени. Пополученным данным было построено распределение паровой фазы по95сечению трубы, осредненное по времени для участков длиной 355 мм(рисунок 4.14) и 250 мм (рисунок 4.15).Рисунок 4.14 Распределение паровой фазы в сечении рабочего участкадлиной 355 мм96Рисунок 4.15 Распределение паровой фазы в сечении рабочего участкадлиной 250 ммДанное распределение не демонстрирует регулярной структуры, чтоможет быть объяснено сложностью течения нестационарного двухфазногопотока в трубе с зернистым слоем, сопровождающегося фазовымипереходами.
Стоит отметить, что несмотря на нерегулярную структурураспределения паровой фазы, наблюдается стабильная закономерность подоле паровой фазы в области стенки трубы. В непосредственной близости отстенки доля паровой фазы минимальна, в то время как за минимумом следуетмаксимальная доля пара. Такое распределение может говорить о наличиитонкого слоя жидкости в непосредственной близости от стенки споследующей пленкой пара. При этом в случае с участком длиной 250 ммнаблюдается более однородное распределение пара по сечению с менеевыраженными максимумами и минимумами. При этом в обоих рабочихучастках наблюдается существенно пониженное содержание паровой фазы у97стенок с последующим резким увеличением доли пара.Акустическиеэффекты оказывают существенное влияние на локальную скорость звука всреде. Дисперсия скоростей звука в критическом потоке демонстрируетширокий разброс значений скоростей.
В [10] предложена гипотеза о влияниина эффект газодинамического запирания замороженной скорости звука, накоторую в свою очередь оказывают влияния колебания возмущений впарожидкостной среде.4.4 ВыводыНа основе гидродинамической модели, основанной на методесглаженныхчастиц,развитамоделькритическогоистеченияпарожидкостного потока из канала с зернистым слоем. Получены данные помассовому расходу парожидкостной смеси в зависимости от перепададавления. Показано достижение эффекта газодинамического запирания припередахдавленияDP=600откПа,чтотакжеподтверждаетсяэкспериментальными исследованиями, проведенными группой Э.А. Таирова(г. Иркутск) [9]. Получены зависимости массовой скорости от объемного имассового паросодержания.Зависимости демонстрируют нелинейный характер, монотонно убываяпри увеличении доли пара в смеси.
Такое изменение массовой скоростиможет быть связано с уменьшением плотности потока. Зависимостикоэффициента скольжения от доли пара в смеси были сопоставлены сэкспериментальнымиданнымиианалитическимирасчетамиипродемонстрировали согласованность. Получена зависимость максимальногомассовогорасходавзависимостиотперепададавления.Ввидуограниченности набора экспериментальных данных по данной зависимости,численная модель позволила продемонстрировать, что зависимость имеетобратную нелинейную зависимость от перепада давления.Визуальный анализ потока при численном моделировании показал, чтопоток может считаться гомогенным, без образования устойчивых структур ввиде пузырьков пара.
Статистический анализ по распределению долипаровойфазыпосечениютрубыпоказал,чтораспределениене98демонстрирует определенной закономерности, однако по границам трубынаблюдается резкое уменьшение доли пара с последующим скачкообразнымростом, что может быть вызвано наличием тонкой пленки жидкости награнице трубы с последующим слоем пара.99ЗАКЛЮЧЕНИЕ1.
Разработана модель гидродинамики газожидкостного потока в трубе приналичиизернистойзасыпкиивыполненыэкспериментальныеисследования по определению скорости всплытия газовых пузырей в трубес зернистой засыпкой, а также интенсивности межфазной массоотдачи.2. Обнаружен экстремальный характер изменения скорости всплытия иинтенсивности межфазной массоотдачи в каналах с зернистой засыпкой,связанный с изменением геометрии пузыря при изменении угла наклонатрубы и его деформации при прохождении через слой сферическойзасыпки. Выполнено обобщение расчетных и экспериментальных данныхпутем введения безразмерного критерия скорости.3.
Развита численная модель критического истечения парожидкостногопотока с учётом процессов теплообмена и фазовых превращений.Выполнена успешная верификация модели на основе экспериментальныхданных.4. Получена зависимость максимального массового расхода в зависимости отпаросодержания, которая может быть использована для оценки потерьтеплоносителя при разгерметизации в зависимости от паросодержания.5.
Наосновемоделиреализованопрограммноеобеспечениедлямоделирования процессов критического истечения с определениемпараметров давления и массового расхода смеси при различныхпараметрахпаросодержанияисвойствзасыпки(ПО“Поток”,РОСПАТЕНТ. Свидетельство №2015612009) с целью моделирования задачистечения критического потока, в том числе ситуаций аварийнойразгерметизации энергетических аппаратов с зернистым слоем.100СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙA – результат интерполяции произвольной физической величиныB – свободный параметр;с – концентрация диффундирующего вещества, моль/м-3;C – теплопроводность, Вт/м×К;ci – локальная скорость звука в узле, м/с;cs – равновесная скорость звука в среде, м/с;d – диаметр трубы, м;D – коэффициент диффузии;ds – элементарная единица поверхности, м2;QQ⃗P – единичный вектор в скоростной модели;\]/ – равновесная функция распределения;/ – функция распределения;F – паровой поток;G - расход парожидкостной смеси, кг/с;H – высота слоя шаровой засыпки, м;h – расстояния до ближайшей сглаженной частицы, м;i – номер вектора в скоростной модели;j – плотность импульса;k – безразмерный критерий скорости;K – ступенчатая функция;l – характерный размер, м;уч – длина рабочего участка трубы, м;m – масса вещества, кг;N – количество векторов в скоростной модели;n – нормаль;P1 – начальное давление парожидкостной смеси, Па;P2 – давление в рабочем участке, Па;r – положение сглаженной частиц, м;R- радиус кривизны головки пузыря, м;r’ – положение ближайшей сглаженной частицы, м;S - площадь сечения трубы, м2; – время, с;T – температура, К;t1 – время входа газового пузыря в рабочий участок, с;t2 – время выхода газового пузыря из рабочего участка, с;V – объем газового пузыря, м3;V90 – объем газового пузыря в конце рабочего участка при вертикальномположении трубы, м3;101Vα – объем газового пузыря в конце рабочего участка при угле наклона α, м3;Q⃗ – вектор скорости, м/с;W – сглаживающий операторw – скорость парожидкостного потока, м/с;x – положение сглаженной частицы;⃗ – вектор направления движения частицы;̅ – оператор межфазного взаимодействия;a - угол наклона трубы; – коэффициент поверхностного натяжения, Дж/м2;Δ – разность плотностей на фазовой границе, кг/м3;DP – перепад давлений, Па;∆ – шаг по времени, с; – эффективный безразмерный коэффициент массоотдачи;λ – коэффициент гидравлического сопротивления;µ – динамическая вязкость, Па×с;n - кинематическая вязкость, м2/с; – добавочный параметр для исключения сингулярности;П – искусственная вязкость;r - плотность вещества, кг/м3;r’ – плотность жидкости, кг/м3r’’ – плотность газовой фазы, кг/м3Σ – безразмерный параметр;t - время релаксации, с;j - объемное паросодержание;/ – весовая функция;Ω/ – оператор столкновенияПодстрочные индексыж – жидкостьa – сглаженная частицаb – соседняя сглаженная частицаг – газз – засыпкач – чистая жидкостьk – компонент твердой фазы102СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
