ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТРЁХФАЗНОГО ПОТОКА ГАЗ-ЖИДКОСТЬ-ТВЁРДЫЕ ЧАСТИЦЫ В УСТАНОВКЕ ПОГРУЖНОГО ГОРЕНИЯ

В.А. Деминa,b, А.В. Костыряb,c

aПермский государственный национальный исследовательский университет,

614990, Пермь, Букирева, 15

bПермский национальный исследовательский политехнический университет, 614990, Пермь, Комсомольский проспект, 29

cНаучно-производственная фирма «ТеплоЭнергоПром», 614107, г. Пермь, Хрустальная, 10/а

Рассмотрена структура трёхфазного потока в лабораторной установке с погружной горелкой. Проанализирован модельный тепловой режим работы без образования паровой фазы. Сделан вывод о доминировании ламинарного движения в большей части рабочего пространства. Сделан вывод об определяющем значении влияния газовой фазы на структуру и временное поведение гидродинамических потоков.

Ключевые слова: погружное горение, трёхфазный поток, газ-жидкость-твёрдые частицы, гидродинамика.

 

NUMERICAL MODELING OF GAS-LIQUID-SOLID THREE PHASE FLOW IN A LABORATOTY SETUP WITH SUBMERGED COMBUSTION

V.A. Demina,b, A.V. Kostyryab,c

aPerm State National Research University, 15 Bukireva St., 614990, Perm

bPerm National Research Polytechnic University, 29 Komsomolskiy Ave., 614990, Perm

cResearch and Industrial Company «TeploEnergoProm», Perm,

Khrustal’naya St., 10/a

 

The structure of a three-phase flow in a laboratory setup with submerged combustion is considered. The model thermal regime of operation without the formation of a vapour phase is analyzed. The dominance of a laminar motion in most of the working space is found. A conclusion is made about the decisive importance of the influence of the gas phase on the structure and temporal behaviour of hydrodynamic flows.

Keywords: submerged combustion, three phase flow, gas-liquid-solid, hydrodynamics.

 

Аппараты погружного горения (далее – АПГ) представляют собой теплообменные аппаратами с непосредственным контактом горячих дымовых газов и нагреваемой жидкости. Наиболее частым применением АПГ в промышленности является нагрев и выпаривание водных растворов. В случае выпаривания растворов в аппарате появляется твёрдая фаза. Для устойчивой работы выпарного АПГ необходимо обеспечить вынос твёрдой фазы из зоны кипения (где эта фаза и образуется) к выпускному патрубку. В противном случае, твёрдая фаза будет накапливаться в аппарате, что, в свою очередь, потребует его остановки и освобождения емкости. Лучшим технических решением, обеспечивающим удаление твёрдой фазы, будет вынос частиц за счёт рациональной организации потока в аппарате. Это позволяет отказаться от использования дополнительных механических устройств, снижающих надёжность конструкции. Однако, рациональная организация потока невозможна без наличия математической модели, описывающей гидродинамическую ситуацию в аппарате.

Целью настоящей работы было создание математической модели потоков в АПГ и исследование с её помощью гидродинамической ситуации в аппарате.

Для создания и отладки математической модели была проведена серия численных экспериментов с геометрическими параметрами лабораторной установки погружного горения. Установка имеет сравнительно небольшие линейные размеры (2.2:1.4:1 м), что делает её более удобным объектом для моделирования методом конечных объёмов, нежели промышленный аппарат.

Построенная в ходе настоящего исследования математическая модель имитирует трёхфазный поток газ–жидкость–твердое тело. Была использована модель турбулентности RNG k-ε, так как она даёт надёжные результаты, как при высоких, так и при низких значениях критерия Рейнольдса [1]. Каждая фаза рассматривалась как взаимопроникающий континуум. Жидкая фаза была выбрана в качестве основной, поскольку это непрерывная фаза с объемной долей жидкости более 70 %. Газовая и твердая фазы рассматривались в качестве вторичных фаз. Для взаимодействия газа и жидкости была применена модель «Эйлер-Эйлер» (Eulerian-Eulerian multiphase model), для взаимодействия жидкости и твёрдых частиц – модель «Эйлер-Лагранж» (Lagrangian particle tracking model). При моделировании использовались следующие среды:

  • жидкая фаза – вода;
  • газовая фаза – воздух (как идеальный газ);
  • твёрдая фаза – хлорид калия (со свойствами, заданными при 80 °С)

В модели были приняты следующие граничные условия:

  • массовый расход дымовых газов с указанием температуры – на сопле горелки;
  • открытая граница с указанием температуры, давления и объёмной доли фаз – на верхнем срезе расчетной области;
  • массовый расход – на отборе на циркуляцию;
  • массовый расход воды с указанием температуры – на входе линии рециркуляции в расчётную область;
  • адиабатические стенки – все остальные границы расчётной области.

Расчётная схема установки приведена на рисунке 1.

Рис. 1. Расчётная схема

 

Расчёты выполнялись в коммерческом пакете ANSYSCFX 2020 R2 методом конечных объёмов (FVM).Была использована физическая временная шкала с шагом 0.01 секунды.

В результате проведения численных экспериментов были получены траектории потоков фаз, поля температур и объёмных долей.

Рис. 2. Траектория пузырьков

Как видно на рис. 2, пузырьки газа на большой скорости (порядка 100 м/с) вырываются из сопла горелки, затем быстро теряют скорость, а возле отбойного устройства полностью останавливаются и начинают всплывать вверх под действием Архимедовой силы.

Рис.3. Траектория жидкости

Анализ траектории жидкости (рисунок 3) показывает, что жидкость увлекается всплывающими пузырьками и движется вмести с ними вверх. При этом скорость жидкости и пузырьков сопоставимы.

Рис.4. Траектория твёрдых частиц

На рисунке 4 видно, что траектория твёрдых частиц повторяет траекторию жидкости. Можно сделать вывод о том, что движение твёрдых частиц целиком определяется движением жидкой фазы.

Рис.5. Поле температуры пузырьков

 

Анализ поля температуры пузырьков (рисунок 5) показывает, что теплообмен между газовой и жидкой фазами происходит очень быстро. Пузырьки интенсивно отдают тепло жидкости, что соответствует известным положениям о работе АПГ [2].

Рис.6. Поле энергии турбулентных пульсаций

Рисунок 6 показывает, что энергия турбулентных пульсаций близка к нулю в большей части расчётной области. Энергия пульсаций ожидаемо высока в зоне контакта пузырьков и жидкости, однако, она быстро сходит на нет и принимает низкие значения даже в области восходящего движения жидкости. Эти данные говорят о правильности выбора модели RNG k-ε для описания движения фаз.

В рамках настоящей работы было проведено численное моделирование структуры потоков в лабораторной установке погружного горения. Было обнаружено доминирование ламинарного режима течения. Выявлено, что струя горячих дымовых газов быстро теряет свою скорость и разворачивается. При этом теплопередача от струи газов к жидкости также происходит быстро и локализуется в малом объёме между соплом горелки и отбойным устройством. Обнаружено, что движение твёрдой фазы целиком определяется течением жидкости. В то же время, сама структура потока определяется движением пузырьков. Таким образом, можно сделать вывод о главенствующей роли газовой фазы в определении гидродинамической ситуации в АПГ.

Список литературы

  1. Experimental and numerical studies on a bubble-induced inverse gas-liquid-solids fluidized bed /Yunfeng Liu, Xiliang Sun, Zeneng Sun, Chao Zhang, Jesse Zhu // Advanced Powder Technology. – 2021. – № 32. – С. 4496 – 4508.
  2. А.Н. Алабовский, П.Г. Удыма. Аппараты погружного горения. М.: Издательство МЭИ, 1994 – 256 с.