Введение к работе
Актуальность проблемы
Паро- газожидкостные среды интенсивно применяются в качестве рабочих жидкостей в различных технических системах и процессах: ракетостроение, криогенное машиностроение, пищевая и химическая промышленности. Актуальность исследований истечения взрывного вскипания жидкости, находящейся в емкости под высоким давлением, возникающего при резком падении давления в результате разгерметизации, связана с их широкими практическими приложениями. Моделирование таких течений позволяет прогнозировать и предотвращать возникновение аварийных ситуаций на промышленных объектах нефтяной и атомной энергетики в случае разрывов теплоносителей, в которых параметры пароводяных смесей близки к критической точке, и при разгерметизации могут реализовываться режимы взрывного вскипания.
Тенденции развития науки и современных технологий приводят к уменьшению размеров сложных технических систем. Важно не только качественно определить структуру потока, но и правильно задать геометрию канала. Например, в авиакосмической промышленности используются наноспутники массой от 1 до 10 кг, работающие на химических двигателях и тяговых устройствах на холодном газе. Становится необходимым правильно миниатюризировать хо-лодногазовый двигатель (микроракетные двигатели), важнейшим элементом которого является сопло. В соплах энергия рабочего тела преобразуется в кинетическую энергию газового потока.
В связи с этим актуальным является изучение пространственной динамики нестационарной начальной стадии истечения двухфазного потока при внезапной разгерметизации с последующим за ним процессом формирования дозвуковых и сверхзвуковых течений струи газожидкостной или пароводяной смеси с учетом парообразования. Использование в работе единого широкодиапазонного уравнения состояния воды и пара в аналитической форме, описывающего экспериментальные данные на линии насыщения, в области однофазных и ме-тастабильных состояний, позволяет проводить исследования динамики истечения вскипающей жидкости в большом диапазоне изменения термодинамических параметров.
Цели работы. Исследование процессов истечения газожидкостной и вскипающей пароводяной смеси из сосудов высокого давления.
Основные задачи исследования:
построение математических моделей:
нестационарной модели истечения вскипающей жидкости в одномерной постановке;
нестационарной модели истечения газожидкостной и пароводяной смеси с учетом фазовых переходов в двумерной осесимметричной постановке;
численное моделирование нестационарных процессов взрывного истечения вскипающей жидкости из сосудов высокого давления;
анализ влияния геометрии канала и начальных параметров смеси (давления, газосодержания) на форму истекающего газожидкостного потока;
определение различных режимов формирования струи в случае пространственного истечения пароводяной смеси с учетом фазовых переходов.
Практическая и теоретическая ценность работы
Построенные в диссертации модели истечения двухфазной паро-газожидкостной смеси в одно и двумерно-осесимметричной постановке с учетом фазовых переходов, и проведенные численные исследования расширяют теоретические представления о процессах, сопровождающихся кипением, имеют широкий спектр приложений на практике, связанной с актуальностью темы исследований. Полученные результаты могут быть использованы для создания методики предотвращения аварийных ситуаций при разгерметизации сосудов высокого давления, заполненных пузырьковыми жидкостями; при моделировании процессов истечения газожидкостных сред через сопла в микро- и гидрореактивных двигателях.
Работа выполнялась при содействии гранта РФФИ №11-01-97004-рповолжьеа «Моделирование и исследование технологических процессов, сопровождающихся ударно-волновыми явлениями в многофазных потоках»; гранта РФФИ №11-01-00171-а «Кумулятивное сжатие пузырьков в жидкости при акустическом и ударном воздействии»; программы фундаментальных исследований ОЭММПУ РАН (ОЭ-13); гранта РФФИ 12-01-09308-моб_з «Научный проект "Гидродинамические особенности истечения кипящей жидкости при течении в трубах и соплах" для представления на научном мероприятии ICCFD 2012»; молодежного научно-инновационного конкурса «УМНИК» проект «Разработка комплекса прикладных программ для моделирования аварийных ситуаций при взрывном воздействии на рабочие жидкости объектов ядерной энергетики, химической и нефтегазовой промышленности» (г. Уфа, 2013).
Научная новизна работы
Определены параметры адиабатических течений для паро- газожидкостных смесей с использованием широкодиапазонного уравнения состояния.
Построена двухфазная модель пароводяной смеси, описывающая нестационарный процесс истечения кипящей жидкости из сосуда высокого давления с использованием широкодиапазонного уравнения состояния в одномерном приближении, которая позволила объяснить длительное нахождение жидкости в перегретом состоянии за счет капиллярных эффектов на межфазной границе.
Разработана двумерная осесимметричная нестационарная модель истечения газожидкостной и пароводяной смеси из сосудов высокого давления с учетом фазовых переходов. Проведен анализ влияния начальных параметров на формирование структуры потока. Проведено исследование режимов образования формы струи вплоть до ее развала на начальной стадии процесса истечения.
Основные положения, выносимые на защиту
Анализ термодинамических параметров адиабатических течений паро- газожидкостных сред с использованием широкодиапазонного уравнения состояния воды и пара.
Гидродинамические особенности нестационарного процесса взрывного истечения вскипающей жидкости при мгновенной разгерметизации сосуда высокого давления в одномерном плоском приближении. Влияние капиллярных эффектов на межфазной границе на процесс долговременного нахождения жидкости в перегретом состоянии.
Результаты исследования режимов истечения паро- газожидкостной смеси из сосудов высокого давления в условиях двумерной осевой симметрии. Особенности формирования струй вскипающей жидкости при начальных параметрах, близких к термодинамической критической точке.
Достоверность результатов работы
Достоверность полученных исследований следует из корректной постановки задачи с использованием уравнений гидродинамики двухфазной жидкости. Компьютерная реализация используемых численных методов для решения построенных математических моделей основана на достоверных алгоритмах; полученные результаты сопоставлены с решениями других авторов, экспериментальными данными и точными аналитическими решениями.
Апробация работы и публикации
Основные результаты, представленные в диссертации, докладывались на следующих конференциях и научных школах:
Семнадцатая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых (г. Екатеринбург, 2011);
Всероссийская научная конференция с международным участием "Дифференциальные уравнения и их приложения" (г. Стерлитамак, 2011);
X Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики (г. Нижний Новгород, 2011);
конкурс молодых ученых ИМех УНЦ РАН (г. Уфа, 2011);
V Российская конференция с международным участием «Многофазные системы: теория и приложения» (г. Уфа, 2012);
International Conference on Fluid Dynamics ICCFD' 12 (Paris, France, 2012);
Всероссийская научная школа молодых ученых «Волны и вихри в сложных средах» (г. Москва, 2012);
Всероссийская молодежная научно-практическая конференция «Актуальные вопросы науки и образования» (г. Уфа, 2013);
«International Conference «Fluxes and Structures in Fluids. 17th Session» (Saint-Petersburg, 2013).
Результаты диссертации опубликованы в 14 научных работах, в том числе 5 из них в журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Объем и структура диссертации
