Численная модель развивающегося дисперсно-кольцевого течения

На основе полученных ранее экспериментальных данных по формированию, развитию и взаимодействию волн различных типов в дисперсно-кольцевом газожидкостном течении, построена численная модель, воспроизводящая основные волновые процессы и процессы срыва капель. Показано, что ключевым параметром, определяющим адекватность моделирования взаимодействия фаз, является степень ослабления турбулентности вблизи межфазной границы.

Пространственно-временные записи толщины пленки жидкости в графическом представлении (белый цвет соответствует толщине пленки 2 мм): число Рейнольдса жидкости 350, среднерасходная скорость газа 18 м/с; (а) эксперимент, ЛИФ-метод, (б) моделирование, VOF-метод, комплексное асимметричное ослабление турбулентности, B = 25.

Ранее при помощи метода лазерно-индуцированной флюоресценции было показано, что волны возмущения формируются благодаря слиянию начальных высокочастотных волн, возникающих вблизи входа в канал. Сформировавшиеся волны возмущения стабильно распространяются на протяжении больших расстояний вниз по потоку, генерируя на их задних склонах волны быстрой и медленной ряби. В данной работе была построена численная модель, воспроизводящая основные стадии развития волн возмущения и процессы генерации волн ряби. Моделирование выполнено методом Volume of Fluid. Расчетная область воспроизводит рабочий участок экспериментальной установки.

Основное внимание было уделено моделированию взаимодействия фаз, а именно, модификации степени турбулентности в обеих фазах вблизи межфазной границы. Было применено три способа модификации турбулентности; степень ослабления турбулентности варьировалась в широком диапазоне для каждого из способов. Прямое сравнение пространственно-временных записей толщины пленки жидкости, полученных в результате моделирования, с экспериментальными записями, позволило определить оптимальные методы и коэффициенты подавления турбулентности. Полученная модель адекватно воспроизводит основные стадии развития течения: развитие и слияние начальных высокочастотных волн с формированием волн возмущения, стабильное распро¬странение волн возмущения, генерацию волн быстрой и медленной ряби, срыв капель за счет разрушения волн быстрой ряби. Модель адекватно предсказывает количественные характеристики волн возмущения и развитие этих характеристик вниз по потоку.

Изменение амплитуды (а), скорости (б), частоты следования (в) и продольного размера (г) волн возмущения с расстоянием вниз по потоку. Сравнение экспериментальных данных с моделированием (комплексный асимметричный метод подавления турбулентности при  азличных значениях коэффициента B).

Разработанная численная модель дисперсно-кольцевого течения позволит существенно улучшить расчеты гидродинамики и теплообмена промышленных установок, в которых реализуется дисперсно-кольцевое течение, включая аппараты теплообмена, химической, нефтегазовой и атомной промышленности.

ИТ СО РАН, с.н.с., д.ф.-м.н. Черданцев А.В. в сотрудничестве с KTH Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden Ph.D. studentWenyuan Fan, Prof. Henryk Anglart, тел.:  +7 (383) 332-56-78.