В.А. Демин^a,b, А.В. Костыря^b,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. Demin^a,b, A.V. Kostyrya^b,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.