Моделирование термогидродинамических характеристик двухфазного потока в опреснительной установке

• Автор: Кусюмов, Сергей Александрович
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Казань
• Количество страниц: 160 с. : ил.

Оглавление

Введение
1. Обзор информации
1.1. Ресурсы пресной воды
1.2. Существующие методы опреснения воды
1.3. Сравнительный анализ методов опреснения воды
1.4. Дистилляция
1.5. Сепаратор
1.6. Уравнения течения несжимаемой вязкой жидкости
1.7. Модели турбулентности
1.8. RANS-модели турбулентности
1.9. Модели турбулентности к-Е
1.10.Уравнения стандартной к-Е модели турбулентности
1.11. Уравнение энергии
1.12. Стандартная функция стенки
1.13. Модели многофазное
1.14. Моделирование кавитации
1.15. Сетки и итерационные алгоритмы совместного решения уравнений переноса 39 импульса и неразрывности
1.16. Обзор предыдущих экспериментальных и численных исследований
1.17. Апробация модели Mixture для различных задач кавитационного течения
1.18. Вывод
2. Физическое моделирование работы опреснительной установки
2.1. Схема и принцип работы лабораторной установки
2.2. Экспериментальные исследования
2.3. Выводы
3. Численное моделирование течения в парогенераторе
3.1. Описание расчётной сетки и настроек пакета Fluent
3.2. Проверка решения на допустимость значений у+ и сеточную независимость
3.3.Зависимость производительности парогенератора от температуры жидкости
3.4. Влияние величины разрежения на выходе из парогенератора на рабочий процесс
3.5. Вывод формулы для нахождения скорости в критическом сечении сопла Лаваля
3.6. Влияние величины перепада давления на производительность парогенератора
3.7. Влияние геометрических параметров парогенератора на производительность
3.8. Влияние сжимаемости воды на характеристики работы парогенератора. 105 Скорость звука в трёхкомпонентной смеси
3.9. Определение радиуса парового пузырька
3.10. Выводы
4. Численное моделирование течения в сепараторе
4.1. Расчёт сепаратора сливного типа
4.2.Постановка задачи для моделирования проточного сепаратора
4.3. Исследование решения на сеточную независимость
4.4. Результаты расчёта параметров течения в сепараторе
4.5. Выбор рабочего режима
4.6. Выводы
Заключение
Список литературы
Введение
В настоящее время отмечается нехватка пресной воды в отдельных регионах, количество которых угрожающе растёт. Следовательно, технологии очистки воды становятся все более востребованными. Помимо этого, в условиях начинающегося дефицита энергоресурсов становится приоритетным требование о низких энергозатратах любой массово внедряемой технологии. Постоянный рост цен на материальные и энергетические ресурсы требует неизменного повышения производительности установок и уменьшения затрат на организацию и обслуживание.
Существующие методы способны обеспечивать либо высокую степень очистки небольших объёмов, либо невысокую степень очистки больших объёмов. Процесс очистки воды от солей в опреснительной установке может происходить либо без изменения агрегатного состояния воды (электродиализ, ионный обмен, обратный осмос, экстракция), либо с изменением (дистилляция, замораживание). Оба подхода требуют значительных затрат электроэнергии. Строительство, оборудование и обслуживание установок обоих типов отличается высокой стоимостью. Кроме того, многие методы требуют либо постоянной работы установки, либо использования дополнительных материалов.
Дистилляция с точки зрения соотношения между величиной объёма очищаемой воды и качеством её очистки является наиболее универсальным методом, а также отличается несколько меньшими эксплуатационными затратами. Дистилляционные опреснительные установки являются основным типом опреснителей для труднодоступных регионов с жарким климатом, что определяет их незаменимость в определённых условиях. Однако затраты энергии на подогрев воды до температуры кипения являются достаточно значительными. Проведение процесса под вакуумом позволит снизить температуру кипения, что сделает возможным использование низкопотенциальных источников тепла либо солнечной энергии.
В связи с этим, разработка низкозатратной технологии испарения и опреснения является актуальной задачей.
В гидромеханике используется два основных метода разработки и исследования: физическое (эксперимент) и численное моделирование.
Экспериментальные исследования режимов течения в опреснительных установках требуют существенных финансовых затрат и зачастую сопряжены со значительными трудностями технического характера. Установка должна быть подключена к инженерным коммуникациям (для обеспечения подвода и отвода рабочего тела - воды). Установка также должна быть рассчитана на значительные перепады давления (от избыточных манометрических давлений в несколько атмосфер до достаточно глубокого вакуума) и температуры.
Применение методов вычислительной гидродинамики (CFD -Computational Fluid Dynamics) позволяет существенно снизить затраты на

проведение экспериментальных исследований. При этом возможно проведение детальных параметрических исследований с полным анализом структуры и характеристик течения и возможностью сравнительно быстро изменять геометрию исследуемых объектов. Поэтому сочетание численного моделирования этих потоков и использования экспериментальных данных является актуальным направлением исследований.
Современный уровень развития методов CFD позволяет решать с достаточной точностью многие практические задачи. Для достижения требуемой точности при расчёте методами CFD требуется корректно построить сетку и выбрать адекватные математические модели. В ряде публикаций [1.17.1] представлены результаты численного исследования течений в инженерных конструкциях (парогенераторах и сепараторах), которые могут рассматриваться как составные части опреснительной установки. Однако в этих работах не ставилась задача разработки непосредственно технологии получения пресной воды.
В данной работе проведено исследование возможности создания опреснительной установки для частичного опреснения воды (предварительной водоподготовки) на основе низкозатратной технологии дистилляционного опреснения. Исследования проводились для основных элементов установки - низкотемпературного парогенератора и сепаратора центробежного типа. В качестве основного инструмента для моделирования потоков в элементах опреснительной установки использован пакет прикладных программ Fluent. Программный продукт ANSYS Fluent в настоящее время является одним из наиболее развитых коммерческих пакетов, который применяется при решении задач как внешней, так и внутренней аэрогидромеханики. Пакет Fluent позволяет моделировать двухфазные течения на базе встроенных моделей двухфазной жидкости Mixture (модель с фазовым переходом) и Eulerian. Кроме того, Fluent позволяет использовать различные полуэмпирические модели турбулентности, включая к-е и RSM модели.
Глава 1 содержит обзор информации по существующим методам опреснения. В ходе обзора рассматриваются преимущества вакуумного метода дистилляционного опреснения, выбранного для изучения. Здесь же приведены обзоры используемых математических моделей и ранее проведённых численных исследований по моделированию течений в элементах установки.
Глава 2 содержит описание лабораторной установки, прототип которой был построен для проведения экспериментального исследования течения. Приводятся экспериментальные данные по расходу компонентов пароводяной смеси в зависимости от рабочей температуры и перепада давления на входе и выходе парогенератора.
В главе 3 представлены результаты численного моделирования работы парогенератора для двухкомпонентной двухфазной среды (пар-вода).В этой же главе моделируется работа парогенератора для трёхкомпонентной среды
1.11. Уравнение энергии
Полная энергия потока записывается в следующем виде:
Е = к- *■+—, (1.11.1)

где к - энтальпия потока.
Уравнение энергии в случае решения задачи о сжимаемой жидкости применяется в следующем виде:
^ (р£) + У ■ (т?(рЕ + р)) = У • (кеПЧТ - + (V?' Ю) + Я , (1 • 11.2)
где кв^ - эффективная теплопроводность, а /; - диффузионный поток каждой фазыу. Первые три члена в правой части уравнения энергии отвечают соответственно за перенос энергии теплопроводностью, конвекцией и вязкой диссипацией. % отвечает за тепло химической реакции или любого другого объёмного источника тепла (при их наличии).
Диффузионный поток вещества, а также тепловой поток, возникают в результате наличия в жидкости градиентов концентрации и температуры [1.11.1].