Публикации
Проектирование и работа газожидкостного реактора с перемешиванием
CD-adapco (Siemens PLM Software)
Большинство из Вас скорее всего не помнят, как принимали в детстве ванну, однако быть может у Вас есть детишки. Мне, например, очень нравиться наблюдать, как мой малыш с любопытством смотрит на мыльные пузыри и задает мне вопросы: «Как это получается?» или «Почему одни большие, а другие маленькие?». Иногда бывают wow-моменты: «Смотри, смотри! Они склеились, и получился один большой пузырь!». Мы с вами, конечно же, вместо «склеились» используем инженерный термин «произошла коалесценция» (срастание; самопроизвольное слияние капелек или пузырьков в эмульсиях или пенах).
Слияние и дробление играют значительную роль в большинстве процессов перемешивания в различных отраслях промышленности. В подобных системах, учет объемной доли газа, его распределения и эффекта, оказываемого на массоперенос и реакции, является абсолютно необходимым. В ходе экспериментального измерения подобных систем, можно было получить детализированные данные, выраженные в многочисленных соотношениях, использующихся в процессе разработки и проектирования. Однако, данные соотношения были крайне ограничены размером, типом и характером опытно-промышленных и лабораторных испытаний. Как следствие, инженеры-технологи были вынуждены перепроверять и каждый раз повторно удостоверяться, действительно ли очередной вариант конструкции соответствует всем необходимым требованиям. Вычислительная гидро-газодинамика (CFD) позволяет специалистам производить параметрический анализ конструкций непосредственно на этапе производства, за счет использования различных моделей, в том числе моделей слияния и дробления.
По мере утихания страстей на Тур де Франс и пока клубы пыли еще не развеялись в Рио после Олимпийских Игр 2016, велоспорт будет присутствовать в последних сводках новостей.
Пользовательское дерево задачи исключительно полезно, когда Ваша задача содержит сотни сборок, частей геометрии и поверхностей, которыми Вам нужно манипулировать во время рабочего процесса.
Существует ряд методов для моделирования слияния и дробления. К более передовым относятся Quadrature Method of Moments (QMOM) или Direct QMOM (DQMOM). Данные методы позволяют произвести расчет слияния и дробления, а также перехода пузырей из одного размера в другой. Однако, они являются крайне вычислительно-трудоёмкими, при том, что точность расчетов может быть недостаточной.
Альтернативный подход, доступный в программном пакете STAR-CCM+, модель S-Gamma. Данная модель содержит два дополнительных уравнения, то есть всего в STAR-CCM+ задействовано три уравнения - для 0-го, 2-ого и 3-го моментов. Так как 3-ий момент это относительный объем, раннее посчитанный посредствам модели Эйлеровой многофазности, остается решить только два дополнительных уравнения. Недавно, мы запустили S-Gamma модель с учетом распределения пузырьков по размеру (BSD), и я хотел бы поделиться с Вами некоторыми наблюдениями.
Распределение пузырьков по размеру и относительный объём газовой фазы
Достаточно часто, инженеры-технологи принимают размер пузырьков на входе как постоянную величину, так как это упрощает расчет. Однако, если диаметр пузырька будет постоянно 1 мм (Рис. 1), значение относительного объёма газовой фазы, которое является важным параметром при проектировке, может быть значительно завышено. Это происходит потому, что маленькие пузырьки не могут быстро подняться и лучше следовать согласно движению потока. Постоянный диаметр в 2-3 мм напротив будет способствовать занижению значения относительного объёма газовой фазы. А, например, постоянный диаметр в 1,5-2 мм может дать точное совпадение с экспериментом, но при этом исследование перестанет носить предиктивный характер.
Когда распределение пузырьков по размеру смоделировано с учетом слияния и дробления, никаких дополнительных операций по настройке или регулированию параметров, для совпадения с результатами эксперимента, не потребуется. Вне зависимости от изначально определенного значения распределения на входе, в момент приближения газового пузырька непосредственно к зоне смешивания, система автоматически адаптирует его размер. Далее происходит дробление пузырей согласно условиям локального потока, в результате чего, они становятся независимыми от изначально заданного размера на входе. Граничные условия на входе влияют исключительно на распределение пузырьков по размеру в небольшой области между источником разбрызгивания и лопастью.
publicdomainpictures.net
Рис. 1 BSD - распределение пузырьков по размеру. Подразумевается, что при неизменном размере пузырька, результат, в сравнении с экспериментом, будет неточен
Слияние и дробление
Мы можем отследить влияние дробления и слияния пузырей по среднему диаметру капли по Заутеру (Sauter Mean Diameter (SMD)), показанное на Рис. 2. В области между элементами механизма перемешивания, размер пузырьков и значение SMD возрастает в связи со слиянием. В правой части сечения показаны отклонения: в зоне высокой диссипации турбулентности, разброс по размеру сравнительно небольшой. Далее пузырьки начинают соединяться в зоне с низкой скоростью сдвига. Значительный разброс возникает в тех областях, где пузыри опять начинают соединяться.
Рис. 2 Средний диаметр капли по Заутеру (SMD) и различные размеры частиц в случае распределения пузырьков по размеру
Мы можем сравнить результаты с постоянным значением размера пузырей и распределением по размеру. Для обоих случаев, на Рис. 3, показано: растворенный кислород (справа) и результирующий поток кислорода (слева). Левая часть каждого изображения показывает все ячейки, в которых присутствует результирующий поток пузырей кислорода в непрерывной фазе. Прозрачные области представляют из себя зоны, где локальное поглощение больше локального массопереноса. Когда кислород в полной мере растворен в жидкости и диффузия может более не учитываться, кислород должен быть конвективно перенесен в данные зоны. Это показывает, что гидродинамика (конвекция) играет значительную роль при переносе кислорода, а также, что распределение пузырьков по размеру в значительной степени влияет на данный процесс. Поэтому BSD нельзя не учитывать.
Рис. 3 Растворенный кислород и результирующий поток кислорода для а) постоянного размера пузырька в 3,5 мм; б) распределения пузырьков по размеру с SMD = 3,3 мм
В обоих случаях, в реакторе присутствует достаточное количество кислорода, поэтому не ожидается никаких ограничений по скорости реакции в следствии недостатка кислорода. Однако, в случае с изначальным BSD уровень растворенного кислорода значительно выше. Это означает либо повышенный уровень безопасности в случае отказа системы, либо возможность уменьшения интенсивности разбрызгивания/расхода воздуха. Также это позволяет сократить нагрузку на поршень и снизить энергозатраты без потери общей производительности. Распределение пузырьков по размеру способствует более точным показателям распространения кислорода и помогает снизить расходы за счет ослабления неоправданно высоких факторов безопасности.
Вывод
Слияние и дробление пузырей - это не только источник радости для малышей, но еще и неотъемлемая часть многофазных потоков. Учет этих явлений крайне важен при моделировании потоков. Для получения более достоверных результатов, я рекомендую пользоваться функцией BSD в сочетании с моделями слияния и дробления. И в следующий раз, когда Вы запустите STAR-CCM+, обратите внимание на S-Gamma модель, которая была специально создана для обеспечения получения точных результатов исследования при меньших затратах времени.
Литература
-
K. Swiderski, D. Caviezel, M. Labois, D. Lakehal, “Computational modelling of gas–liquid multiphase flows with DQMOM and the N-phase Algebraic Slip Model,” Computational Methods in Multiphase Flow VIII, p. 299, WIT Transactions on Engineering Sciences, Vol 89, 2015
