Помощь студентам в учебе
Моделирование динамики парокапельных сред в процессе регазификации
|
Список принятых сокращений и условных обозначений 5
Введение 8
Глава 1 Математическая модель и численный метод описания
гидро- и термодинамики газовзвесей и парокапельных систем 16
Анализ методов, применяемых в механике многофазных
сред 16
Модель динамики полидисперсной газовзвеси
и парокапельной смеси в эйлеровых координатах 21
Уравнения движения несущей среды 21
Уравнения движения дисперсной фазы 24
Модель дробления капель 25
Модель коагуляции капель 28
Модель прогрева и испарения капель крупных фракций 29
Равновесная модель испарения и конденсации капель мелкой фракции
Модель динамики парокапельной смеси с учетом дробления
и коагуляции капель 34
Аппроксимация теплофизических свойств жидкого
и газообразного метана 37
Аппроксимация теплофизических свойств воды и водяного пара 41
Метод решения системы уравнений движения полидисперсной смеси 42
Явная схема Мак-Кормака с расщеплением пространственного оператора по направлениям 42
Схема нелинейной коррекции 45
Выводы по главе 1, постановка цели и задач исследования 45
Глава 2 Верификационные расчёты динамики газа, процессов дробления, коагуляции, нагрева и испарения капель крупных фракций, равновесного испарения мелкой фракции и конденсации пара 47
Колебания газа в акустическом резонаторе: сопоставление результатов расчёта и физического эксперимента 47
Математическая модель 47
Постановка задачи 50
Результаты расчётов 51
Течение газа в каверне 54
Дробление капель воды в воздушном потоке по механизму
обдирки поверхностного слоя 56
Динамика полидисперсной парокапельной смеси метана
с учётом механизма дробления капель 58
Динамика полидисперсной парокапельной смеси метана
с учётом механизма коагуляции капель 65
Движение полидисперсной парокапельной смеси метана
с дроблением и коагуляцией капель 67
Тестовые расчёты испарения водяных капель различных
фракций в высокотепературном воздушном потоке 76
Нагрев и испарение капель крупных фракций метана 80
Моделирование испарения мелкодисперсной фракции и конденсации пара на основе равновесной модели фазовых переходов 83
Выводы по главе 2 89
Глава 3 Моделирование пространственной сепарации
и волновой динамики полидисперсных газовзвесей 91
Колебания коагулирующей полидисперсной газовзвеси
в акустическом резонаторе 91
Модель движения газовзвеси 93
Колебания газовзвеси в плоском канале при воздействии акустического поля без учета коагуляции и изменения дисперсности смеси 98
Возникновение параметрического резонанса при колебаниях коагулирующей газовзвеси 101
Пространственная сепарация фракций полидисперсной газовзвеси при обтекании обратного уступа 103
Выводы по главе 3 118
Глава 4 Течение парокапельной смеси с учётом механизмов дробления, коагуляции, испарения капель и конденсации пара 119
Течение парокапельной смеси в коаксиальном канале
c теплоизолированной стенкой 120
Течение парокапельной смеси в коаксиальном канале
c нагретой стенкой 125
Течение парокапельной смеси в коаксиальном канале
c температурой внешней стенки 162 К 125
Течение парокапельной смеси в коаксиальном канале
c температурой внешней стенки 210 К 135
Эффект запирания потока парокапельной смеси в коаксиальном канале при дальнейшем повышении температуры внешней стенки 144
Выводы по главе 4 153
Заключение 155
Список используемых источников информации 163
Приложение 175
Введение 8
Глава 1 Математическая модель и численный метод описания
гидро- и термодинамики газовзвесей и парокапельных систем 16
Анализ методов, применяемых в механике многофазных
сред 16
Модель динамики полидисперсной газовзвеси
и парокапельной смеси в эйлеровых координатах 21
Уравнения движения несущей среды 21
Уравнения движения дисперсной фазы 24
Модель дробления капель 25
Модель коагуляции капель 28
Модель прогрева и испарения капель крупных фракций 29
Равновесная модель испарения и конденсации капель мелкой фракции
Модель динамики парокапельной смеси с учетом дробления
и коагуляции капель 34
Аппроксимация теплофизических свойств жидкого
и газообразного метана 37
Аппроксимация теплофизических свойств воды и водяного пара 41
Метод решения системы уравнений движения полидисперсной смеси 42
Явная схема Мак-Кормака с расщеплением пространственного оператора по направлениям 42
Схема нелинейной коррекции 45
Выводы по главе 1, постановка цели и задач исследования 45
Глава 2 Верификационные расчёты динамики газа, процессов дробления, коагуляции, нагрева и испарения капель крупных фракций, равновесного испарения мелкой фракции и конденсации пара 47
Колебания газа в акустическом резонаторе: сопоставление результатов расчёта и физического эксперимента 47
Математическая модель 47
Постановка задачи 50
Результаты расчётов 51
Течение газа в каверне 54
Дробление капель воды в воздушном потоке по механизму
обдирки поверхностного слоя 56
Динамика полидисперсной парокапельной смеси метана
с учётом механизма дробления капель 58
Динамика полидисперсной парокапельной смеси метана
с учётом механизма коагуляции капель 65
Движение полидисперсной парокапельной смеси метана
с дроблением и коагуляцией капель 67
Тестовые расчёты испарения водяных капель различных
фракций в высокотепературном воздушном потоке 76
Нагрев и испарение капель крупных фракций метана 80
Моделирование испарения мелкодисперсной фракции и конденсации пара на основе равновесной модели фазовых переходов 83
Выводы по главе 2 89
Глава 3 Моделирование пространственной сепарации
и волновой динамики полидисперсных газовзвесей 91
Колебания коагулирующей полидисперсной газовзвеси
в акустическом резонаторе 91
Модель движения газовзвеси 93
Колебания газовзвеси в плоском канале при воздействии акустического поля без учета коагуляции и изменения дисперсности смеси 98
Возникновение параметрического резонанса при колебаниях коагулирующей газовзвеси 101
Пространственная сепарация фракций полидисперсной газовзвеси при обтекании обратного уступа 103
Выводы по главе 3 118
Глава 4 Течение парокапельной смеси с учётом механизмов дробления, коагуляции, испарения капель и конденсации пара 119
Течение парокапельной смеси в коаксиальном канале
c теплоизолированной стенкой 120
Течение парокапельной смеси в коаксиальном канале
c нагретой стенкой 125
Течение парокапельной смеси в коаксиальном канале
c температурой внешней стенки 162 К 125
Течение парокапельной смеси в коаксиальном канале
c температурой внешней стенки 210 К 135
Эффект запирания потока парокапельной смеси в коаксиальном канале при дальнейшем повышении температуры внешней стенки 144
Выводы по главе 4 153
Заключение 155
Список используемых источников информации 163
Приложение 175
Парогазокапельные потоки формируются в гидравлических трактах технических систем и имеют место в различных природных процессах: атмосферных, вулканических, океанических. На основе гидро- и термодинамики парогазокапельных систем разрабатываются технологические процессы в энерго- и машиностроении, обеспечивается надёжное и безопасное функционирование различных установок. По этой причине в науке и промышленности поддерживается высокий интерес к проблемам моделирования гидро- и термодинамики парогазокапельных структур. Основополагающий вклад в развитие теории и методов решения задач механики многофазных сред внес- ли Л.И. Седов [1], X.А. Рахматулин [2], Р.И. Нигматулин [3, 4, 5], Н.А. Фукс [6], С.С. Кутателадзе [7], М.А. Стырикович, В.Е. Накоряков [8], М.Е. Дейч [9], Г.А. Филиппов, Г.А. Салтанов [10, 11], Б.Г. Покусаев [12], И.Р. Шрейбер, В.А. Акуличев [13], Б.Е. Гельфанд [14, 15], С.М. Когарко [16], А.Н. Крайко [17], Л.Г. Стернин [17, 18], Д.А. Лабунцов [19], В.В. Ягов [20], В.М. Фомин, Л.И. Зайчик [23], Ю.А. Зейгарник [24, 25], С. Соу [26], Г. Уоллис
[27] и др. Вычислительным методам в механике двухфазных сред посвящены работы Н.Н. Яненко [28], Г.А. Салтанова [10, 11], Л.Г. Стернина [17, 18], А.Г. Кутушева [29], А.Н. Крайко, В.Ш. Шагапова [30, 31, 32], А.А. Шмидта [33], А.А. Губайдуллина [34] и многих других исследователей.
Актуальность темы исследования связана с возможностью получения новых закономерностей в механике парокапельных систем полидисперсной структуры, которую можно описать конечным числом дисперсных капельных фракций и течение которой сопровождается процессами дробления, коагуляции, испарения капель и конденсации пара. Эти результаты могут быть применены при разработке систем осушки воздуха для корабельных двигателей в морском судостроении, при разработке гидравлических трактов систем очистки и опреснения воды. Результаты работы могут быть положены в основу проектирования регазификаторов сжиженного природного газа (СПГ) с улучшенными эксплуатационными и расширенными функциональными возможностями.
Степень разработанности темы исследования. Описание динамики полидисперсной многоскоростной многотемпературной парокапельной смеси с фазовыми переходами, дроблением и коагуляцией капель представляет собой сложную задачу, имеющую ряд практических приложений. Одним из таких приложений является разработка регазификатора СПГ и создание технологии регазификации. В данной работе предлагается модифицировать классические схемы теплообменников-регазификаторов путём предварительного диспергирования газожидкостного потока, что позволит избежать сложных переходных процессов и режимов течения, связанных с превращением капельного потока жидкости в дисперсный парожидкостный поток. Для выявления особенностей течения парокапельных сред в разрабатываемых устройствах создана численная модель и программный комплекс для описания динамики полидисперсной парокапельной смеси с учётом фазовых переходов, механизмов дробления, коагуляции и испарения капель.
Цель исследования: численно описать и смоделировать гидро- и термодинамические процессы, сопровождающие течение полидисперсных парокапельных смесей и газовзвесей в элементах энергетического оборудования.
Задачи исследования:
– построить математическую модель, разработать численный метод и реализующий его программный комплекс для описания динамики парокапельных смесей;
– верифицировать программный комплекс, описывающий динамику полидисперсных парокапельных смесей, а именно:
– выполнить тестирование механизма дробления капель фракций со скоростной и температурной неравновесностью с переносом осколков в мелкодисперсную фракцию;
– провести тестирование механизмов нагрева и испарения капель крупных фракций со скоростной и температурной неравновесностью;
– тестировать механизм испарения мелкодисперсной фракции (без скоростного и температурного скольжения относительно несущей среды) и конденсации пара с образованием мелкодисперсной фракции;
– выполнить моделирование пространственной сепарации фракций полидисперсной газовзвеси при обтекании обратного уступа;
– провести моделирование колебаний коагулирующей полидисперсной газовзвеси в акустическом резонаторе;
– выполнить моделирование динамики парокапельных смесей с учётом механизмов дробления, коагуляции, испарения капель и конденсации пара при течении в каналах при различных термо- и гидродинамических условиях;
– разработать способ регазификации жидкости.
Научная новизна диссертационной работы состоит в создании комплексной математической модели динамики парокапельной смеси в двумерной постановке, учитывающей целый ряд физических процессов, таких как дробление, коагуляция, испарение капель и конденсация паровой фазы; а также в решении задач в новой постановке и в описании новых эффектов на основе математической модели динамики полидисперсной многоскоростной многотемпературной парокапельной смеси с учётом процессов дробления, коагуляции, испарения капель и конденсации пара. Разработан способ регазификации жидкости и установка для регазификации жидкости.
Теоретическая и практическая значимость работы. Результаты, полученные при выполнении работы, позволят систематизировать и объединить существующие подходы к моделированию парогазокапельных систем с фазовыми переходами, получить решения новых задач и на основе анализа по- лученных решений создать методы управления дисперсностью и фазовым составом парогазокапельных потоков за счёт выбора геометрии канала, ре- жима течения и внешнего волнового воздействия на поток.
Результаты и выводы исследований динамики парокапельных смесей в каналах теплообменников необходимы при проектировании устройств регазификации криогенных топлив. Практическая значимость работы заключена в выполнении расчётов на основе математической модели, позволяющей описать сложные процессы, сопровождающие работу автоматизированных газораспределительных станций (АГРС) с модифицированными тепловоспринимающими элементами (ТВЭЛами) в виде трубы Фильда с закрученным течением метановой парокапельной смеси, нагревом, дроблением, коагуляцией, испарением капель и конденсацией пара. Выработка рекомендаций для разработчиков имеет практическое значение, т.к. такие устройства являются основным элементом АГРС на СПГ, необходимых для создания инфраструктуры потребления СПГ. Результаты, полученные методами математического моделирования, можно использовать при проектировании широкого круга устройств, в которых рабочим телом является парокапельная смесь.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации по ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы», соглашение № 14.577.21.0151. Наименование проекта «Разработка ресурсосберегающих технологий использования криогенных топлив на основе природного газа и водорода». Также исследования проводились в рамках конкурса молодых учёных Республики Татарстан за 2016 г. в номинации «Грант» «Разработка вычислительных моделей динамики сильно неидеальной пылевой плазмы и описание коллективных явлений»; гранта РФФИ, проект № 17-48-160359 «Разработка малоинерционного регазификатора сжиженного природного газа на основе численного моделирования термо- и гидродинамики парокапельных систем»; гранта Правительства РФ № 14.Z50.31.0003 «Создание многопрофильной, комплексной лаборатории моделирования физико-технических процессов при решении сопряжённых задач аэромеханики, теплофизики, акустики и вибростойкости, вентиляции и микроклимата, экологии и мониторинга эксплуатации грузовых автомобилей и их агрегатов»; гранта РФФИ 18-48-160017 «Разработка конструкции тепловоспринимающих элементов регазификатора-подогревателя сжиженного природного газа на основе анализа структуры полидисперсных парокапельных потоков, формирующейся с учетом механизмов конденсации, испарения, дробления и коагуляции».
Методы исследования. Исcледование динамики парокапельных смесей выполнялось методaми численного моделирования. Для описания движения парокапельной смеси применялась многоскоростная многотемпературная модель со скоростным и температурным скольжением фаз, в которой несущая среда описывается полной сиcтемой уравнений динамики вязкoго cжимаемого теплопроводного газa, а движение фракций дисперсной фазы описывалось уравнениями неразрывности средней плотности, сохранения компонент импульса и сохранения тепловой энергии с учётом межфазного обмена массой, импульсом и энергией. Изменение структуры дисперсной фазы, в соответствии с принятой моделью, происходит не только вследствие газодинамических процессов, но также в результате дробления капель, их коагуляции, испарения и конденсации пара. Система уравнений движения парокапельной смеси решалась явным конечно-разностным методом Мак-Кормака второго порядка точности с расщеплением пространственного оператора по направлениям и со схемой нелинейной коррекции.
Положения, выносимые на защиту:
– эффект возникновения резонансных колебаний в трубе-резонаторе при фиксированной частоте внешнего возбуждения вследствие изменения свойств коагулирующей газовзвеси, а также динамические эффекты, сопровождающие пространственную сепарацию фракций полидисперсной газо- взвеси при обтекании обратного уступа;
– результаты численных расчётов, гидро- и термодинамические эффекты изменения дисперсности и расхода фаз и фракций, сопровождающие течение полидисперсной парокапельной смеси метана в коаксиальном канале, геометрия которого используется в регазификаторах сжиженного природного газа;
– эффект формирования двухфракционной парокапельной системы при течении полидисперсной парокапельной смеси с коагуляцией, дроблением, испарением капель и конденсацией пара в канале с теплоизолированной внешней стенкой;
– характеристики полидисперсного парокапельного потока с учётом дробления, коагуляции, испарения капель и конденсации пара при различных температурах внешней стенки коаксиальной трубы;
– эффект запирания потока при повышении температуры стенки до значения, при котором, вследствие интенсивного испарения капель, давление пара в выходном канале превышает давление на входе;
– оригинальный технологический способ регазификации жидкости. Объект исследования. В работе рассматривается динамика парокапельных смесей при течении в каналах с учётом полидисперсности фракций, скоростной и температурной неравновесности несущей и дисперсной фазы, нагрева, дробления, коагуляции, испарения капель и конденсации пара.
Область исследования соответствует следующим пунктам паспорта специальности 01.02.05 – «Механика жидкости, газа и плазмы»:
Пункт 6. Течения многофазных сред (газожидкостные потоки, пузырьковые среды, газовзвеси, аэрозоли, суспензии и эмульсии).
Пункт 15. Тепломассоперенос в газах и жидкостях.
Пункт 18. Аналитические, асимптотические и численные методы исследования уравнений кинетических и континуальных моделей однородных и многофазных сред (конечно-разностные, спектральные, методы конечного объёма, методы прямого моделирования и др.).
Степень достоверности полученных результатов. Результаты работы получены в ходе численного решения классических уравнений гидродинамики парокапельных сред, дополненных известными из литературы апробированными теоретико-экспериментальными моделями дробления, коагуляции, испарения капель и конденсации пара. Выполненные тестовые расчёты динамики аэрозолей и парокапельных смесей с учётом механизмов дробления, коагуляции, нагрева, испарения капель и конденсации пара хорошо согласуются с известными из литературы результатами.
Личный вклад автора состоит в анализе литературных источников, написании программных кодов и проведении расчётов тестового характера для моделей дробления, нагрева, испарения, коагуляции капель, конденсации пара, в выполнении численных расчётов, интерпретации и обсуждении полученных результатов, написании статей, в разработке способа регазификации жидкости и технологической схемы, реализующей способ.
Апробация результатов исследования. Исследования, проведённые в диссертации, докладывались, обсуждались на 17 международных и всероссийских научных конференциях: Международная научно-техническая конференция «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (Самара, 2016 г.); Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении: X школа-семинар молодых ученых и специалистов академика РАН В.Е. Алемасова (Казань, 2016 г.); X Всероссийская научная конференция «Нелинейные колебания механических систем» им. Ю.И. Неймарка (Н. Нов- город, 2016 г.); VIII Всероссийская научно-техническая конференция «Низкотемпературная плазма в процессах нанесения функциональных покрытий» (Казань, 2016 г.); Международная научно-техническая конференция «Инновационные машиностроительные технологии, оборудование и материалы – 2016, 2017, 2018» (Казань); 7-ая международная научная школа молодых учёных «Волны и вихри в сложных средах» (Москва, 2016 г.); Юбилейная конференция Национального комитета РАН по тепло- и массообмену «Фундаментальные и прикладные проблемы тепломассообмена» и XXI Школа- семинар молодых учёных и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» (Санкт-Петербург, 2017 г.); Всероссийская конференция «Физика низкотемпературной плазмы» ФНТП-2017 (Казань); XVIII Всероссийская конференция молодых учёных по математическому моделированию и информационным технологиям (Иркутск, 2017 г.); Международная молодёжная научная конференция «XXIII Туполевские чтения» (Казань, 2017 г.); Новые технологии, материалы и оборудование российской авиакосмической отрасли: Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием (Казань, 2018 г.); Седьмая Российская национальная конференция по теплообмену (Москва, 2018 г.); XIX Всероссийская конференция молодых учёных по математическому моделированию и информационным технологиям (Кемерово, 2018 г.); Научно-техническая конференция по итогам совместного конкурса фундаментальных исследований РФФИ-РТ: региональная научно-практическая конференция (Казань, 2017 г., 2018 г.); Необратимые процессы в природе и технике: Десятая Всероссийская конференция (Москва, 2019 г.).
Публикации.
Результаты диссертации опубликованы в 30 работах, из них: 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, 2 патента РФ на изобретение, 4 статьи цитируются в базах данных Web of Science, Scopus, 21 тезис и материал докладов международных и всероссийских научных конференций.
Структура и объём диссертационной работы.
Диссертация включает в себя список принятых сокращений и условных обозначений, введение, 4 главы, заключение, список используемых источников информации и приложение. Объём диссертации составляет 186 страниц,
91 рисунок, 2 таблицы. Список используемых источников информации включает 110 наименований. Приложение содержит описание способа регазификации и копии патентов на изобретение.
[27] и др. Вычислительным методам в механике двухфазных сред посвящены работы Н.Н. Яненко [28], Г.А. Салтанова [10, 11], Л.Г. Стернина [17, 18], А.Г. Кутушева [29], А.Н. Крайко, В.Ш. Шагапова [30, 31, 32], А.А. Шмидта [33], А.А. Губайдуллина [34] и многих других исследователей.
Актуальность темы исследования связана с возможностью получения новых закономерностей в механике парокапельных систем полидисперсной структуры, которую можно описать конечным числом дисперсных капельных фракций и течение которой сопровождается процессами дробления, коагуляции, испарения капель и конденсации пара. Эти результаты могут быть применены при разработке систем осушки воздуха для корабельных двигателей в морском судостроении, при разработке гидравлических трактов систем очистки и опреснения воды. Результаты работы могут быть положены в основу проектирования регазификаторов сжиженного природного газа (СПГ) с улучшенными эксплуатационными и расширенными функциональными возможностями.
Степень разработанности темы исследования. Описание динамики полидисперсной многоскоростной многотемпературной парокапельной смеси с фазовыми переходами, дроблением и коагуляцией капель представляет собой сложную задачу, имеющую ряд практических приложений. Одним из таких приложений является разработка регазификатора СПГ и создание технологии регазификации. В данной работе предлагается модифицировать классические схемы теплообменников-регазификаторов путём предварительного диспергирования газожидкостного потока, что позволит избежать сложных переходных процессов и режимов течения, связанных с превращением капельного потока жидкости в дисперсный парожидкостный поток. Для выявления особенностей течения парокапельных сред в разрабатываемых устройствах создана численная модель и программный комплекс для описания динамики полидисперсной парокапельной смеси с учётом фазовых переходов, механизмов дробления, коагуляции и испарения капель.
Цель исследования: численно описать и смоделировать гидро- и термодинамические процессы, сопровождающие течение полидисперсных парокапельных смесей и газовзвесей в элементах энергетического оборудования.
Задачи исследования:
– построить математическую модель, разработать численный метод и реализующий его программный комплекс для описания динамики парокапельных смесей;
– верифицировать программный комплекс, описывающий динамику полидисперсных парокапельных смесей, а именно:
– выполнить тестирование механизма дробления капель фракций со скоростной и температурной неравновесностью с переносом осколков в мелкодисперсную фракцию;
– провести тестирование механизмов нагрева и испарения капель крупных фракций со скоростной и температурной неравновесностью;
– тестировать механизм испарения мелкодисперсной фракции (без скоростного и температурного скольжения относительно несущей среды) и конденсации пара с образованием мелкодисперсной фракции;
– выполнить моделирование пространственной сепарации фракций полидисперсной газовзвеси при обтекании обратного уступа;
– провести моделирование колебаний коагулирующей полидисперсной газовзвеси в акустическом резонаторе;
– выполнить моделирование динамики парокапельных смесей с учётом механизмов дробления, коагуляции, испарения капель и конденсации пара при течении в каналах при различных термо- и гидродинамических условиях;
– разработать способ регазификации жидкости.
Научная новизна диссертационной работы состоит в создании комплексной математической модели динамики парокапельной смеси в двумерной постановке, учитывающей целый ряд физических процессов, таких как дробление, коагуляция, испарение капель и конденсация паровой фазы; а также в решении задач в новой постановке и в описании новых эффектов на основе математической модели динамики полидисперсной многоскоростной многотемпературной парокапельной смеси с учётом процессов дробления, коагуляции, испарения капель и конденсации пара. Разработан способ регазификации жидкости и установка для регазификации жидкости.
Теоретическая и практическая значимость работы. Результаты, полученные при выполнении работы, позволят систематизировать и объединить существующие подходы к моделированию парогазокапельных систем с фазовыми переходами, получить решения новых задач и на основе анализа по- лученных решений создать методы управления дисперсностью и фазовым составом парогазокапельных потоков за счёт выбора геометрии канала, ре- жима течения и внешнего волнового воздействия на поток.
Результаты и выводы исследований динамики парокапельных смесей в каналах теплообменников необходимы при проектировании устройств регазификации криогенных топлив. Практическая значимость работы заключена в выполнении расчётов на основе математической модели, позволяющей описать сложные процессы, сопровождающие работу автоматизированных газораспределительных станций (АГРС) с модифицированными тепловоспринимающими элементами (ТВЭЛами) в виде трубы Фильда с закрученным течением метановой парокапельной смеси, нагревом, дроблением, коагуляцией, испарением капель и конденсацией пара. Выработка рекомендаций для разработчиков имеет практическое значение, т.к. такие устройства являются основным элементом АГРС на СПГ, необходимых для создания инфраструктуры потребления СПГ. Результаты, полученные методами математического моделирования, можно использовать при проектировании широкого круга устройств, в которых рабочим телом является парокапельная смесь.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации по ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы», соглашение № 14.577.21.0151. Наименование проекта «Разработка ресурсосберегающих технологий использования криогенных топлив на основе природного газа и водорода». Также исследования проводились в рамках конкурса молодых учёных Республики Татарстан за 2016 г. в номинации «Грант» «Разработка вычислительных моделей динамики сильно неидеальной пылевой плазмы и описание коллективных явлений»; гранта РФФИ, проект № 17-48-160359 «Разработка малоинерционного регазификатора сжиженного природного газа на основе численного моделирования термо- и гидродинамики парокапельных систем»; гранта Правительства РФ № 14.Z50.31.0003 «Создание многопрофильной, комплексной лаборатории моделирования физико-технических процессов при решении сопряжённых задач аэромеханики, теплофизики, акустики и вибростойкости, вентиляции и микроклимата, экологии и мониторинга эксплуатации грузовых автомобилей и их агрегатов»; гранта РФФИ 18-48-160017 «Разработка конструкции тепловоспринимающих элементов регазификатора-подогревателя сжиженного природного газа на основе анализа структуры полидисперсных парокапельных потоков, формирующейся с учетом механизмов конденсации, испарения, дробления и коагуляции».
Методы исследования. Исcледование динамики парокапельных смесей выполнялось методaми численного моделирования. Для описания движения парокапельной смеси применялась многоскоростная многотемпературная модель со скоростным и температурным скольжением фаз, в которой несущая среда описывается полной сиcтемой уравнений динамики вязкoго cжимаемого теплопроводного газa, а движение фракций дисперсной фазы описывалось уравнениями неразрывности средней плотности, сохранения компонент импульса и сохранения тепловой энергии с учётом межфазного обмена массой, импульсом и энергией. Изменение структуры дисперсной фазы, в соответствии с принятой моделью, происходит не только вследствие газодинамических процессов, но также в результате дробления капель, их коагуляции, испарения и конденсации пара. Система уравнений движения парокапельной смеси решалась явным конечно-разностным методом Мак-Кормака второго порядка точности с расщеплением пространственного оператора по направлениям и со схемой нелинейной коррекции.
Положения, выносимые на защиту:
– эффект возникновения резонансных колебаний в трубе-резонаторе при фиксированной частоте внешнего возбуждения вследствие изменения свойств коагулирующей газовзвеси, а также динамические эффекты, сопровождающие пространственную сепарацию фракций полидисперсной газо- взвеси при обтекании обратного уступа;
– результаты численных расчётов, гидро- и термодинамические эффекты изменения дисперсности и расхода фаз и фракций, сопровождающие течение полидисперсной парокапельной смеси метана в коаксиальном канале, геометрия которого используется в регазификаторах сжиженного природного газа;
– эффект формирования двухфракционной парокапельной системы при течении полидисперсной парокапельной смеси с коагуляцией, дроблением, испарением капель и конденсацией пара в канале с теплоизолированной внешней стенкой;
– характеристики полидисперсного парокапельного потока с учётом дробления, коагуляции, испарения капель и конденсации пара при различных температурах внешней стенки коаксиальной трубы;
– эффект запирания потока при повышении температуры стенки до значения, при котором, вследствие интенсивного испарения капель, давление пара в выходном канале превышает давление на входе;
– оригинальный технологический способ регазификации жидкости. Объект исследования. В работе рассматривается динамика парокапельных смесей при течении в каналах с учётом полидисперсности фракций, скоростной и температурной неравновесности несущей и дисперсной фазы, нагрева, дробления, коагуляции, испарения капель и конденсации пара.
Область исследования соответствует следующим пунктам паспорта специальности 01.02.05 – «Механика жидкости, газа и плазмы»:
Пункт 6. Течения многофазных сред (газожидкостные потоки, пузырьковые среды, газовзвеси, аэрозоли, суспензии и эмульсии).
Пункт 15. Тепломассоперенос в газах и жидкостях.
Пункт 18. Аналитические, асимптотические и численные методы исследования уравнений кинетических и континуальных моделей однородных и многофазных сред (конечно-разностные, спектральные, методы конечного объёма, методы прямого моделирования и др.).
Степень достоверности полученных результатов. Результаты работы получены в ходе численного решения классических уравнений гидродинамики парокапельных сред, дополненных известными из литературы апробированными теоретико-экспериментальными моделями дробления, коагуляции, испарения капель и конденсации пара. Выполненные тестовые расчёты динамики аэрозолей и парокапельных смесей с учётом механизмов дробления, коагуляции, нагрева, испарения капель и конденсации пара хорошо согласуются с известными из литературы результатами.
Личный вклад автора состоит в анализе литературных источников, написании программных кодов и проведении расчётов тестового характера для моделей дробления, нагрева, испарения, коагуляции капель, конденсации пара, в выполнении численных расчётов, интерпретации и обсуждении полученных результатов, написании статей, в разработке способа регазификации жидкости и технологической схемы, реализующей способ.
Апробация результатов исследования. Исследования, проведённые в диссертации, докладывались, обсуждались на 17 международных и всероссийских научных конференциях: Международная научно-техническая конференция «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (Самара, 2016 г.); Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении: X школа-семинар молодых ученых и специалистов академика РАН В.Е. Алемасова (Казань, 2016 г.); X Всероссийская научная конференция «Нелинейные колебания механических систем» им. Ю.И. Неймарка (Н. Нов- город, 2016 г.); VIII Всероссийская научно-техническая конференция «Низкотемпературная плазма в процессах нанесения функциональных покрытий» (Казань, 2016 г.); Международная научно-техническая конференция «Инновационные машиностроительные технологии, оборудование и материалы – 2016, 2017, 2018» (Казань); 7-ая международная научная школа молодых учёных «Волны и вихри в сложных средах» (Москва, 2016 г.); Юбилейная конференция Национального комитета РАН по тепло- и массообмену «Фундаментальные и прикладные проблемы тепломассообмена» и XXI Школа- семинар молодых учёных и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» (Санкт-Петербург, 2017 г.); Всероссийская конференция «Физика низкотемпературной плазмы» ФНТП-2017 (Казань); XVIII Всероссийская конференция молодых учёных по математическому моделированию и информационным технологиям (Иркутск, 2017 г.); Международная молодёжная научная конференция «XXIII Туполевские чтения» (Казань, 2017 г.); Новые технологии, материалы и оборудование российской авиакосмической отрасли: Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием (Казань, 2018 г.); Седьмая Российская национальная конференция по теплообмену (Москва, 2018 г.); XIX Всероссийская конференция молодых учёных по математическому моделированию и информационным технологиям (Кемерово, 2018 г.); Научно-техническая конференция по итогам совместного конкурса фундаментальных исследований РФФИ-РТ: региональная научно-практическая конференция (Казань, 2017 г., 2018 г.); Необратимые процессы в природе и технике: Десятая Всероссийская конференция (Москва, 2019 г.).
Публикации.
Результаты диссертации опубликованы в 30 работах, из них: 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, 2 патента РФ на изобретение, 4 статьи цитируются в базах данных Web of Science, Scopus, 21 тезис и материал докладов международных и всероссийских научных конференций.
Структура и объём диссертационной работы.
Диссертация включает в себя список принятых сокращений и условных обозначений, введение, 4 главы, заключение, список используемых источников информации и приложение. Объём диссертации составляет 186 страниц,
91 рисунок, 2 таблицы. Список используемых источников информации включает 110 наименований. Приложение содержит описание способа регазификации и копии патентов на изобретение.
В представленной к защите работе построена математическая модель, численный метод и реализующий его программный комплекс, выполнено тестирование и получены результаты численного моделирования процессов течения полидисперсных парокапельных смесей и газовзвесей в элементах энергетического оборудования.
В работе:
– построена математическая модель, численный метод и программный комплекс для описания гидро- и термодинамики полидисперсных однокомпонентных парокапельных систем в эйлеровой постановке с учётом межфазного обмена импульсом и энергией между несущей средой и дисперсной фазой, с учётом скоростной и температурной неравновесности, механизмов газодинамического дробления капель, их коагуляции, прогрева и испарения, конденсации пара;
– верифицирован программный комплекс: переносные свойства несущей среды, механизмы газодинамического дробления, коагуляции капель, их прогрева и испарения, конденсации пара;
– численно исследованы процессы, применяемые в технологиях регазификации: пространственная сепарация фракций полидисперсной газовзвеси и волновое воздействие на полидисперсную коагулирующую газовзвесь. Описаны динамические эффекты, сопровождающие пространственную сепарацию фракций полидисперсной газовзвеси при обтекании обратного уступа, а также эффект возникновения резонансных колебаний в трубе-резонаторе при фиксированной частоте внешнего возбуждения вследствие изменения свойств коагулирующей газовзвеси;
– выполнены численные расчёты, выявлены и описаны гидро- и термо- динамические эффекты изменения дисперсности и расхода, сопровождающие течение полидисперсной парокапельной смеси метана в коаксиальном канале, геометрия которого используется в регазификаторах сжиженного природного газа;
– выявлен эффект формирования двухфракционной парокапельной системы при течении полидисперсной парокапельной смеси с коагуляцией, дроблением капель и конденсацией пара в канале с теплоизолированной внешней стенкой;
– описано изменение характера потока, плотности, скорости и температуры пара, скорости, средних плотностей, радиусов капель фракций при различных температурах внешней стенки трубы;
– выявлен эффект запирания потока при повышении температуры стенки до значения, при котором, вследствие интенсивного испарения капель, давление пара в выходном канале превышает давление на входе;
– разработан способ регазификации жидкости и схема установки для регазификации жидкости; устройство подачи, измерения, регулирования количества и расхода жидкости, на которые получены 2 патента РФ на изобретение.
В работе:
– построена математическая модель, численный метод и программный комплекс для описания гидро- и термодинамики полидисперсных однокомпонентных парокапельных систем в эйлеровой постановке с учётом межфазного обмена импульсом и энергией между несущей средой и дисперсной фазой, с учётом скоростной и температурной неравновесности, механизмов газодинамического дробления капель, их коагуляции, прогрева и испарения, конденсации пара;
– верифицирован программный комплекс: переносные свойства несущей среды, механизмы газодинамического дробления, коагуляции капель, их прогрева и испарения, конденсации пара;
– численно исследованы процессы, применяемые в технологиях регазификации: пространственная сепарация фракций полидисперсной газовзвеси и волновое воздействие на полидисперсную коагулирующую газовзвесь. Описаны динамические эффекты, сопровождающие пространственную сепарацию фракций полидисперсной газовзвеси при обтекании обратного уступа, а также эффект возникновения резонансных колебаний в трубе-резонаторе при фиксированной частоте внешнего возбуждения вследствие изменения свойств коагулирующей газовзвеси;
– выполнены численные расчёты, выявлены и описаны гидро- и термо- динамические эффекты изменения дисперсности и расхода, сопровождающие течение полидисперсной парокапельной смеси метана в коаксиальном канале, геометрия которого используется в регазификаторах сжиженного природного газа;
– выявлен эффект формирования двухфракционной парокапельной системы при течении полидисперсной парокапельной смеси с коагуляцией, дроблением капель и конденсацией пара в канале с теплоизолированной внешней стенкой;
– описано изменение характера потока, плотности, скорости и температуры пара, скорости, средних плотностей, радиусов капель фракций при различных температурах внешней стенки трубы;
– выявлен эффект запирания потока при повышении температуры стенки до значения, при котором, вследствие интенсивного испарения капель, давление пара в выходном канале превышает давление на входе;
– разработан способ регазификации жидкости и схема установки для регазификации жидкости; устройство подачи, измерения, регулирования количества и расхода жидкости, на которые получены 2 патента РФ на изобретение.