Методическое пособие 768

Рис. 5.18. Поле скоростей (с осерадиальными каналами охлаждения переменного сечения)

Рис. 5.19. Поле давлений (с осерадиальными каналами охлаждения переменного сечения)

110

Рис. 5.20. Поле температур (с осерадиальными каналами охлаждения переменного сечения)

Рис. 5.21. Поле скоростей (область с осерадиальными каналами охлаждения постоянного сечения и кольцевыми коллекторами)

111

Рис. 5.22. Поле давлений (область с осерадиальными каналами охлаждения постоянного сечения и кольцевыми коллекторами)

Рис. 5.23. Поле температур (область с осерадиальными каналами охлаждения постоянного сечения и кольцевыми коллекторами)

112

Исходя из анализа полученных гидродинамических картин течения балластировочной воды, было принято решение о наиболее предпочтительном варианте – с осерадиальными каналами охлаждения постоянного сечения и кольцевыми коллекторами. Такие каналы обладают наименьшим гидравлическим сопротивлением.

Кольцевые коллекторы обеспечивают равномерный сбор и распределение воды. Расположение каналов под углом к оси потока обеспечивает наилучшую степень смешения с парогазом.

5.4. Гидрогазодинамика и теплообмен высокоскоростного высокотемпературного потока в камере испарения парогенератора

Камера испарения парогенератора представлена на рис. 5.2. Принципиальная схема работы камеры испарения водородного парогенератора приведена на рис. 5.24.

Рис. 5.24. Камера испарения водородного парогенератора

Камера испарения предназначена для охлаждения продукта сгорания водорода в кислородной среде (парогаза) до температуры 1100 К. В камере испарения одновременно происходят несколько процессов: смешение высокоскоростного потока парогаза с охлаждающей водой, образование капель, дробление капель, испарение капель.

Рассматриваемую задачу разобьем на два этапа:

1 этап. Определение зоны дробления и критического диаметра капли; 2 этап. Расчет испарения капель воды в потоке пара и определение мак-

симальной длины зоны испарения.

Исследуемые физические процессы представляют особый интерес для моделирования с целью определения конструктивных и рабочих параметров камеры испарения. В силу сложности описания процессов гидродинамики дисперсного потока, осложненного тепломассопереносом, задача решается численным способом с применением методов вычислительной гидродинамики.

На первом этапе моделирования определяется длина зоны дробления капель воды в потоке парогаза. Длина зоны дробления определялась по стабилизации скорости, давления и интенсивности турбулентности. Порядок расчета аналогичен методике расчета каналов охлаждения сопла-распылителя.

113

Сначала необходимо построить область течения камеры испарения. Затем, используя сеточный генератор, построить сеточную модель.

Для построения регулярной сетки в данной задаче был использован автоматический генератор сеток (рис. 5.25). Характеристики: минимальный объем ячейки сетки 3,91∙10-20 м3; максимальный объем ячейки 2,8∙10-16 м3; полный объем ячеек 3,17∙10-12 м3; тип сетки – тетраэдальная; общее количество ячеек (объемов) 90526 шт.

Далее сеточная модель передается в решатель, после чего производится выбор настроек расчета и собственно решение поставленной краевой задачи.

Рис. 5.25. Фрагмент сетки во всем объеме расчетной области

Определение полей скоростей, давлений и параметров турбулентности адиабатного потока пара производилось в специализированном расчетном комплексе ASYS CFD, использующим двухпараметрические модели турбулентности.

При построении математической модели был принят ряд допущений:

-рабочий агент считается вязкой несжимаемой средой;

-теплофизические свойства потока принимаются постоянными и равными средним интегральным значениям в исследуемом интервале температур;

-на входе в расчетную область имеется полностью развитое течение с изотропной турбулентностью;

-течение газа в камере трехмерное стационарное;

-теплообмен с окружающей средой отсутствует;

Граничные условия:

- на входе в расчетную область задается постоянный расход: V r V0 ,

степень начальной турбулентности 5 %;

- на всех боковых поверхностях задаются условия прилипания ui r 0 и

адиабатности;

114

- для турбулентных величин предполагают равенство нулю турбулентной энергии и нормальной производной скорости диссипации на стенках канала:

/ n 0.

Выбираем модель турбулентности: «standart» – k модель турбулентности, так ее область применения полностью удовлетворяет требованиям поставленной задачи. На входе задаем массовый расход 1,87 кг/с, а на выходе статическое давление 67 атм.

Выбираем раздельный (segregated) решатель (solver), в котором сначала производится раздельное решение уравнений количества движения в проекциях на оси принятой системы координат, затем производится коррекция давления и скорости, затем – решение уравнений переноса для скалярных величин (кинетической энергии турбулентности и т.п.), после чего происходит проверка сходимости.

После 75 итераций решение сходится. Значения критериев сходимости: неразрывности: 0,01; турбулентной кинетической энергии 0,01; диссипации турбулентной кинетической энергии 0,01.

Вконце (post-processing) осуществляется анализ полученных результатов,

атакже принимается решение об окончании, или продолжении процесса решения задачи.

По результатам расчетов определяем зону дробления капель по интенсивности изменения характеристик потока (стабилизации скорости, давления и интенсивности турбулентности) (рис. 5.26-5.35). На остальном участке может происходить только испарение капель. На рис. 5.36 приведен график сходимости решения.

Рис. 5.26. Распределение полного давления, атм

115

Рис. 5.27. Распределение полного давления (увеличение в области входа), атм

Рис. 5.28. Распределение динамического давления, атм

Рис. 5.29. Распределение динамического давления (увеличение в области входа), атм

116

Рис. 5.30. Распределение статического давления, атм

Рис. 5.31. Распределение статического давления (увеличение в области входа), атм

Рис. 5.32. Векторы скорости, м/с

117

Рис. 5.33. Векторы скорости (увеличение в области входа), м/с

Рис. 5.34. Распределение интенсивности турбулентности, %

Рис. 5.35. Распределение интенсивности турбулентности (увеличение в области входа), %

118

Рис. 5.36. График сходимости решения

Определим зону дробления и критический диаметр капли.

На основании расчетов первого этапа решения задачи определяем длину зоны дробления капель воды в потоке парогаза равной 300 мм. Длина зоны дробления определялась по стабилизации скорости, давления и интенсивности турбулентности.

Дробление капель в турбулентном потоке жидкости происходит в том случае, когда интенсивность турбулентных пульсаций скорости диспергирующей жидкости превосходит некоторую критическую величину, разную для различных размеров капель. Другими словами, для турбулентного поля заданной интенсивности диспергирующей жидкости существует определенный размер жидких капель диспергируемой жидкости, такой, что капли с радиусом больше некоторой определенной величины (капли больше критического радиуса) могут быть раздроблены. Для критического радиуса известна следующая формула

где - коэффициент поверхностного натяжения диспергируемой жидкости; kf - числовой коэффициент;

- плотность жидкости капли;

L* - макромасштаб турбулентности;

119