ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2013, том 51, № 3, с. 421-455
УДК 532.529
ТЕПЛОМАССООБМЕН И ФИЗИЧЕСКАЯ ГАЗОДИНАМИКА
ГИДРОГАЗОДИНАМИКА И ТЕПЛОФИЗИКА ДВУХФАЗНЫХ ПОТОКОВ:
ПРОБЛЕМЫ И ДОСТИЖЕНИЯ (Обзор) © 2013 г. А. Ю. Вараксин
Объединенный институт высоких температур РАН, Москва Поступила в редакцию 19.12.2012 г.
Рассмотрены проблемы и особенности изучения двухфазных потоков с твердыми частицами, каплями и пузырями. Приведены основные характеристики двухфазных течений и методы их моделирования. Описаны результаты экспериментальных и расчетно-теоретических исследований различных видов двухфазных потоков.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение.
1. Проблемы изучения двухфазных потоков.
2. Особенности изучения двухфазных потоков.
3. Основные характеристики двухфазных потоков.
3.1. Времена релаксации.
3.1.1. Время динамической релаксации.
3.1.2. Время тепловой релаксации.
3.2. Концентрация.
3.3. Числа Стокса.
3.3.1. Осредненное движение.
3.3.2. Крупномасштабное пульсационное движение.
3.3.3. Мелкомасштабное пульсационное движение.
3.3.4. Межчастичные столкновения.
3.3.5. Столкновения со стенкой.
3.4. Классификация двухфазных потоков.
3.4.1. Классификация по объемной концентрации дисперсной фазы.
3.4.2. Классификация по инерционности дисперсной фазы.
4. Методы моделирования двухфазных потоков.
4.1. Особенности моделирования различных классов двухфазных потоков.
4.2. Описание движения дисперсной фазы: лагранжев и эйлеров подходы.
4.2.1. Лагранжев подход.
4.2.2. Эйлеров подход.
4.3. Описание движения сплошной среды, несущей дисперсную примесь.
4.3.1. Актуальные уравнения.
4.3.2. Осредненные уравнения.
4.3.3. Пульсационные уравнения.
4.3.4. Уравнения для рейнольдсовых напряжений.
4.3.5. Алгебраические модели.
4.3.6. Однопараметрические модели.
4.3.7. Двухпараметрические модели.
4.3.8. Методы прямого численного моделирования (DNS, LES).
4.3.9. Методы моделирования течений с подвижными границами.
4.4. Методы физического моделирования двухфазных потоков.
5. Двухфазные потоки с частицами.
6. Двухфазные потоки с каплями.
7. Двухфазные потоки с пузырями.
Заключение.
Список литературы.
ВВЕДЕНИЕ
Потоки сплошной среды, несущие дисперсную примесь в виде твердых частиц, капель или пузырей, имеют место в целом ряде природных явлений, таких, как воздушные смерчи (например, [1—5]), песчаные бури, извержения вулканов, лесные пожары, дожди, выделения газов в морях и океанах и мн. др. Примерами технических устройств, в которых используются двухфазные течения, являются устройства термоподготовки угля в схемах энерготехнологического использования топлива, камеры сгорания тепловых двигателей, тракты твердотопливных и жидкостных реактивных двигателей, системы пожаротушения, теплообменники с двухфазными рабочими телами, устройства песко- и дробеструйной обработки различных поверхностей, пневмотранспортеры сыпучих материалов, пылеуловители различных типов и т.п.
Основными видами двухфазных (гетерогенных) систем являются газ—твердые частицы, газ-капли, жидкость—твердые частицы, жидкость-пузыри.
Рис. 1. Два класса задач математического и физического моделирования двухфазных потоков.
В последние десятилетия можно наблюдать устойчивый рост интереса многочисленных групп исследователей во всем мире к изучению многофазных (двухфазных, гетерогенных) течений.
За 50 лет существования журнала "Теплофизика высоких температур" в нем "увидели свет" многие сотни оригинальных и пионерских работ, посвященных тем или иным аспектам гидрогазодинамики и теплофизики многофазных потоков. Поэтому в настоящем обзоре для юбилейного номера журнала в разделах 5—7, описывающих важнейшие достижения в изучении двухфазных течений, совершенно заслуженно делается акцент на работах российских исследователей, опубликованных в ТВТ за последние годы.
1. ПРОБЛЕМЫ ИЗУЧЕНИЯ ДВУХФАЗНЫХ ПОТОКОВ
Исследования двухфазных (гетерогенных) течений преследуют решение двух основных классов задач (рис. 1). Первая (или прямая) задача заключается в изучении поведения взвешенной (находящейся) в потоке несущей среды (газа, жидкости) дисперсной примеси (частицы, капли, пузыри). Решение данной задачи предполагает определение характеристик дисперсных включений, а именно: их размеров (в случае полидисперсного течения), полей их осредненных и пуль-сационных (средних квадратичных) скоростей, температур, концентраций и т.п. Вторая (или обратная) задача заключается в изучении влияния дисперсной примеси на характеристики несущего ее потока сплошной среды. Решение этой зада-
чи предполагает определение характеристик газа (жидкости) в присутствии частиц (капель, пузырей): полей осредненных и пульсационных (средних квадратичных) скоростей, температур, а также коэффициентов трения, теплоотдачи и т.п.
В гетерогенных потоках могут иметь место различные столкновительные процессы. К ним относятся взаимодействие дисперсной фазы между собой (частица—частица, капля—капля и др.), взаимодействие дисперсных включений с телом, обтекаемым гетерогенным потоком (частица—тело, капля—тело и др.), а также взаимодействие дисперсной примеси со стенками, ограничивающими гетерогенное течение (частица—стенка, капля—стенка и др.). Все вышеупомянутые столк-новительные процессы могут играть существенную роль в формировании статистических характеристик движения частиц (капель, пузырей), а следовательно, и оказывать влияние на характеристики несущего их потока сплошной среды. Вследствие этого исследование роли контактных взаимодействий в контексте решения двух основных задач изучения гетерогенных потоков представляется чрезвычайно актуальным.
Необходимо отдельно отметить особую роль различных фазовых превращений в гидрогазодинамике и теплофизике двухфазных течений. Плавление частиц в потоке газа приводит к переходу двухфазного потока "газ—твердые частицы" в течение "газ—капли". Последующий процесс кристаллизации (отвердевания) капель может стать причиной "возврата" течения в начальное состояние. Процессы конденсации водяного пара на каплях ведут к изменению их размера и инерци-
Рис. 2. Особенности исследований двухфазных потоков.
онности, что может являться причиной качественной перестройки структуры двухфазного потока. Испарение с поверхности движущихся капель также оказывает существенное влияние на характеристики движения как дисперсной фазы, так и всего двухфазного течения в целом.
2. ОСОБЕННОСТИ ИЗУЧЕНИЯ ДВУХФАЗНЫХ ПОТОКОВ
Исключительная сложность изучения многофазных (двухфазных) течений, вероятно, связана с двумя обстоятельствами (рис. 2). С одной стороны, это вызвано тем, что теория однофазных потоков (особенно турбулентных) находится в стадии своего развития. С другой стороны, добавление в турбулентный поток дисперсной примеси в виде частиц (капель, пузырей) сильно осложняет картину течения. Это связано с большим разнообразием свойств (прежде всего, инерционности) и концентрации дисперсных включений, которое приводит к реализации многочисленных режимов (классов) двухфазных течений. Математическое моделирование таких потоков осложняется уже из-за того, что введение дисперсной примеси остро ставит вопрос об адекватности описания движения несущей фазы (газа или жидкости) в рамках механики сплошной среды. Физическое моделирование двухфазных течений также затрудняется вследствие невозможности использования контактных методов измерений (например, термоанемометрии), а применение оптиче-
ских методов (лазерная анемометрия, цифровая трассерная визуализация) имеет значительные ограничения при умеренных и высоких концентрациях дисперсной фазы. Таким образом, методы экспериментальных и расчетно-теоретиче-ских исследований, успешно зарекомендовавшие себя в течение десятилетий при изучении однофазных потоков, зачастую не могут быть использованы для исследований многофазных потоков в принципе. Сказанное сдерживает развитие физики двухфазных течений. Тем не менее потребности практики и логика развития науки требуют постоянного совершенствования теории гетерогенных потоков.
3. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВУХФАЗНЫХ ПОТОКОВ
Помимо характеристик однофазных потоков двухфазные течения обладают целым рядом собственных специфических характеристик. Эти характеристики можно условно разделить на интенсивные и экстенсивные физические величины. К интенсивным величинам относятся физические свойства частиц (капель, пузырей), такие, как их размер (диаметр) dp и физическая плотность рр. В случае неизотермического течения большое значение приобретает и теплоемкость материала частицы Ср. Упомянутые выше свойства определяют динамическую и тепловую инерционность дисперсной фазы.
К2(М2)
V 2(М„ 2)
Рис. 3. К определению массовой и объемной концентрации дисперсной фазы в двухфазном потоке.
3.1. Времена релаксации
Динамическая и тепловая инерционность дисперсной фазы характеризуется соответствующими временами релаксации.
3.1.1. Время динамической релаксации. Данную характеристику обозначим тр и представим в следующем виде:
_ 1р0 _ рр^р
(1)
СРрР А С1 12ХС1
т _ То _ Срррр"р т _
(3)
где С1 = 1 + 0.3 Яер 2Рг1/3.
В выражении (3) т( 0 характеризует время тепловой релаксации стоксовой частицы (Яер < 1). Необходимо отметить, что тепловая инерционность стоксовой частицы (так же как и динамическая инерционность) зависит не только от физических свойств и ее теплоемкости, но и от тепло-
проводности окружающего газа X. Поправочная функция С1 учитывает влияние конвекции на теп-лоперенос между нестоксовой частицей (каплей) и окружающим ее газом. Таким образом, тепловая инерционность нестоксовой частицы зависит также от относительной скорости между фазами, вязкости и теплоемкости несущей сплошной среды.
3.2. Концентрация
Экстенсивной физической характеристикой двухфазных потоков является концентрация дисперсной примеси. Выделяются три концентрации дисперсной фазы: массовая, объемная и счетная.
Рассмотрим два возможных подхода к определению концентрации дисперсной примеси в потоке. Согласно первому подходу локальная объемная и массовая концентрации дисперсной фазы определяются следующим образом (см. рис. 3):
ф= ^ = .
V
рХ
' С 1
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.