Течения газожидкостных сред с высоким газосодержанием и гетерогенными химическими реакциями

• Автор: Данилов, Илья Михайлович
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 162 с. : ил.

Введение
1 Методы моделирования гидродинамики и экспериментальной диагностики в дисперсных средах с высоким газосодержанием
1.1 Физико-математическая постановка задачи
1.2.1 Метод фазовых индикаторов
1.2.1 Метод взаимопроникающих континиумов
1.2.2 Объединенный подход
1.2.3 Метод вездесоприкасающихся континуумов
1.2.4 Метод тонких пленок
1.2.5 Кинетический подход
1.2.7 Ударные волны и пузырьковая детонация
1.2 Экспериментальные результаты моделирования в дисперсных средах
1.3 Численное моделирование газожидкостных сред
1.3.1 Метод взаимопроникающих континуумов
1.3.2 Метод функционала плотности
1.3.3 VOF
1.3.4 Lattice Boltzmann Method
1.3.5 Результаты численного моделирования в пузырьковых средах
Выводы
2 Экспериментальное исследование дисперсных сред с высоким газосодержанием
2.1 Описание экспериментальной установки
2.2 Измерявшиеся параметры МДС
2.3 Результаты измерений
Выводы
3 Численное моделирование дисперсных газожидкостных сред с высоким газосодержанием и расчет реактора на их основе
3.1 Постановка задачи
3.1.1 Физико-математическая модель газожидкостного турбулентного движения и ее
численная реализация
3.1.2. Тестовые задачи
3.2 Проточный химический реактор для окисления кумола
3.3 Численное моделирование реактора и сравнение с экспериментом
3.3.1. Расчет реактора
3.3.2. Сравнение с экспериментальными результатами
Выводы (теория и эксперимент)
Заключение
Решенные проблемы
Нерешенные проблемы
Приложение
Литература

Введение
Актуальность работы. Работа посвящена экспериментальному исследованию течения микродисперсной (микропузырьковой) среды (МДС) с высоким газосодержанием, а также моделированию химического реактора на основе МДС с протекающими в нем гетерогенными экзотермическими реакциями. Эта тема актуальна по следующим причинам: а) необходимость исследования газовой динамики и транспортных свойств МДС с высоким газсодержанием; б) перспективность проточных реакторов с гетерогенными химическими реакциями на основе двухфазных газожидкостных сред; в) образование МДС при подводных взрывах и взаимодействие пузырьков с ударной волной; г) резкое снижение эффективности работы гидравлических трубопроводов и машин при увеличении газосодержания; д) отсутствие адекватных физико-математических моделей численного моделирования сред с объемным газосодержанием более 20%; е) разгазирование нефти при нефтедобыче и нефтетранспортировке; ж) кризисы теплоотдачи, возникающие в результате коалесценции пузырьков в системах охлаждения ядерных реакторов; з) использование МДС в капельно-излучательных системах охлаждения ядерных ракетных двигателей. Исследование МДС представляет интерес и с точки зрения фундаментальных проблем механики многофазных сред, так как наличие микропузырьков приводит к высокой сжимаемости среды, малой скорости распространения звука и образованию сонолюминесценции в акустическом поле.
Цель работы.
1) Анализ современных подходов и методов экспериментального исследования и численного моделирования МДС с высоким газосодержанием.

2) Разработка диагностики экспериментального определения поля скоростей, спектра МДС и объемной доли газа в оптически непрозрачной газожидкостной среде с высоким газосодержанием на основе визуализации потока, записи отраженного лазерного излучения, термоанемометрии и ультразвуковых измерений.
3) Создание сверхзвукового потока при истечении МДС из отверстия на основе эффекта снижения скорости звука при падении давления и увеличении газосодержания.
4) Экспериментальное измерение профиля скорости в сверхзвуковом потоке МДС при обтекании цилиндра с учетом изменения структуры потока и определение области релаксации МДС как среды с полной дисперсией.
5) Разработка физико-математической модели течения МДС с гетерогенными экзотермическими реакциями и применение модели для расчета химического реактора по холодному окислениию изопронилбензола.
6) Создание экспериментальной установки - химического реактора по холодному окислению изопропилбензола, получение экспериментальных данных, сравнение с расчетными результатами и корректировка физико-математической модели движения МДС.
Научная новизна.
1) Разработана диагностика экспериментального определения поля скоростей, спектра МДС и объемной доли газа в оптически непрозрачной газожидкостной среде с высоким газосодержанием на основе записи отраженного лазерного излучения (Р1У в МДС) и термоанемометрии.
2) Определен профиль скорости и зона релаксации потока с полной дисперсией при обтекании цилиндра сверхзвуковым потоком оптически непрозрачной МДС с высоким газосодержанием.
3) Экспериментально исследована структура МДС и процесс сжатия пузырьков в волне полной дисперсии при обтекании цилиндра.

где /ю - вектор потока / -го компонента, v„ = р'1т,1ш- среднемассовая скорость, раЬ - тензор напряжений в смеси, qa - вектор потока тепла.
Также ставятся следующие граничные условия: условие прилипания, условие непротекания для диффузионных потоков, условие баланса для поверхностной энергии и условия, не содержащие множителей Лагранжа. vJaa=0, ф0.-Т;'и.,Т= 0 rah = раЬ -auh
ШЛо= о, = о
3«. = (Яа~Яа)1а,
К недостаткам приведенного метода можно отнести высокую ресурсоемкость применяющихся численных алгоритмов. Четвертый порядок дифференцирования по пространственным координатам делает вычисления на каждом временном шаге весьма громоздкими и затрудняет использование неявных схем. А необходимость аппроксимировать межфазный фронт несколькими расчетными ячейками (как минимум, пятью) приводит к тому, что для многих задач требуются очень большие сетки (так что ограничения на доступную оперативную память играют важную роль) [92]. Кроме того, выбор Лагранжиана неоднозначен, следовательно, требует дополнительных экспериментальных проверок.
1.3.3 VOF
Для описания двухфазной среды используются классические уравнения однофазной гидродинамики, при этом вязкость и плотность среды определяются в каждой точке в зависимости от того, какая фаза там находится.
Один из первых методов, основанных на подобном описании двухфазной среды, был метод VOF (Volume Of Fluid), предложенный в 1981 году [97]. Этот метод заслуживает отдельного упоминания еще и потому, что он реализован во многих коммерческих программных пакетах: Sola-vof, Nasa-vof3d, Flow3d, Fluent и др.