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

Принципиальная схема работы камеры испарения водородного парогенератора приведена на рис. 47.

Рис. 47. 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 максимальной 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.

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. 48). 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. 48. Фрагмент сетки во всем объеме расчетной области

Определение полей скоростей, давлений и параметров турбулентности адиабатного потока пара было производится 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: , степень начальной турбулентности 5 %;

- на всех боковых поверхностях задаются условия прилипания и адиабатности;

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

Выбираем модель турбулентности: «standart» - модель турбулентности, так ее область применения полностью удовлетворяет требованиям поставленной задачи. На входе задаем массовый расход 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.

В конце (post-processing) осуществляется анализ полученных результатов, а также 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. 49-58). На остальном участке может происходить только испарение капель. На рис. 59 приведен график сходимости решения.