Исследование механизмов процесса и разработка методов расчета теплообмена двухфазных потоков в каналах

• Автор: Минко, Мария Вячеславовна
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 110 с. : ил.

Оглавление
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА
1.1. Теплообмен в двухфазном потоке при высоких приведенных давлениях
1.1Л. Основные закономерности процесса и методики расчета
1.1.2. Влияние режима (структуры) двухфазного течения на теплообмен при кипении в области высоких приведенных давлений
1.2. Начало уноса капель с поверхности жидкой пленки в дисперснокольцевом двухфазном потоке
1.3. Методы расчета интенсивности уноса капель с поверхности жидкой пленки в дисперсно-кольцевом потоке
1.4. Методы расчета осаждения капель в дисперсно-кольцевом потоке
ГЛАВА 2. ТЕПЛООБМЕН В ДВУХФАЗНОМ ПОТОКЕ ПРИ ВЫСОКИХ ПРИВЕДЕННЫХ ДАВЛЕНИЯХ
2.1. Методика расчета теплообмена в двухфазном потоке при высоких приведенных давлениях
2.1.1. Гомогенное течение
2.1.2. Частичное осушение стенки
2.1.3. Кольцевое течение
2.2. Анализ экспериментальных данных по теплообмену в двухфазном потоке при высоких приведенных давлениях
2.2.1. Г омогенное течение
2.2.2. Кольцевое течение
ГЛАВА 3. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ УНОСА КАПЕЛЬ В ДИСПЕРСНО-КОЛЬЦЕВОМ ДВУХФАЗНОМ ПОТОКЕ
3.1. Приближенная модель начала уноса капель с поверхности жидкой пленки
3.2. Методика расчета интенсивности уноса капель с поверхности жидкой пленки
3.3. Сравнение результатов расчета критической скорости начала уноса капель с экспериментальными данными
3.4. Сравнение результатов расчета интенсивности уноса с экспериментальными данными
ГЛАВА 4. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОСАЖДЕНИЯ КАПЕЛЬ В ВЕРТИКАЛЬНОМ КАНАЛЕ ПРИ ВОСХОДЯЩЕМ ТЕЧЕНИИ
ПАРОВОДЯНОЙ СМЕСИ
4.1. Математическое описание
4.1.1. Система осредненных дифференциальных уравнений
4.1.2. Уточнение системы уравнений сохранения для исследования пароводяного течения в вертикальной круглой трубе

4.1.3. Условия однозначности
4.1.4. Коэффициенты турбулентного переноса
4.1.5. Расчет процессов массообмена на стенке
4.1.6. Численное решение системы уравнений, описывающих кольцевое течение парокапельного потока
4.1.7. Тестовый расчет
4.2. Результаты численного моделирования течения парокапельного потока и сравнение с экспериментальными данными
4.2.1. Описание экспериментальной установки
4.2.2. Описание используемой расчетной области и способа задания интенсивности уноса капель
4.2.3. Сопоставление результатов расчета расхода жидкости в пленке с учетом осаждения с экспериментальными данными
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
Пузырьковое кипение остается одной из наиболее активно исследуемых областей теории теплообмена. Во-первых, это связано с широким спектром приложений (развитие энергетики, аэрокосмической промышленности и других областей техники приводит к необходимости отводить большие тепловые потоки при помощи кипения); во-вторых, строгое математическое описание процесса пузырькового кипения (из-за невозможности описать форму и положение межфазной границы в произвольный момент времени) представляется недостижимым в ближайшей перспективе. В отсутствие общепризнанной теории процесса новые технологии, изменяющие требования к охлаждающим средам или к условиям применения традиционных теплоносителей, обычно стимулируют новые опытные исследования теплообмена при кипении. В последнее десятилетие наблюдается рост интереса к теплообмену двухфазных потоков в каналах малого диаметра. Влияние размера канала на гидродинамику и теплообмен в двухфазных потоках несомненно, поскольку в них существуют внутренние масштабы (размер парового пузырька, диаметр жидкой капли и толщина пленки в дисперсно-кольцевом режиме течения), которые могут стать соизмеримыми с диаметром канала.
Опытные исследования гидродинамики и теплообмена двухфазных сред в мини - и микроканалах сопровождаются появлением новых эмпирических корреляций, в большинстве своем описывающих лишь данные авторов. Это обсуждается в обзорной статье Thome (2004) [1]; за прошедшие после ее выхода 8 лет ситуация изменилась мало. Процессы переноса в двухфазных потоках настолько сложны, что создание универсальной эмпирической расчетной методики представляется невероятным, поскольку механизмы теплообмена зависят от структуры двухфазного потока, которая может кардинально изменяться с изменением режимных параметров.

диаметром dp < dp - устойчивыми. Используя выражение для удельной
справедливое для большей части поперечного сечения канала, авторы [60]
радиус канала, м, кг = 2 - константа [61, 62].
Одним из возможных методов расчета характеристик в двухфазном кольцевом потоке является численное моделирование. Например, в недавних работах [63, 64] была предложена двухжидкостная CFD (Computational Fluid Dynamics) модель для расчета вертикального восходящего двухфазного кольцевого течения. Расчет проводился на основе численного решения уравнений сохранения массы и импульса для газового ядра и жидкой пленки, выполненного в пакете Fluent 6.3.26 [65]. Процессы уноса и осаждения учитывались при помощи задания источниковых членов в уравнениях сохранения. Однако стоит отметить, что интенсивности уноса и осаждения рассчитывались по эмпирическим корреляциям (1.20) и (1.26) - (1.29).
Такой подход является не совсем правильным. Осаждение капель в турбулентном двухфазном потоке определяется турбулентной диффузией. Поток массы за счет турбулентной диффузии напрямую входит в уравнения сохранения, поэтому не имеет смысла использовать для расчета потока осаждения какие-либо эмпирические корреляции. Интенсивность осаждения капель на стенку может быть получена непосредственно при численном решении.
диссипации турбулентной энергии г = (где у - расстояние от стенки),
получили выражение для характерного диаметра капель dp, диспергированных в турбулентном потоке несущей среды: