1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Теплоэнергетика
  4. № 9, 2023

Теплоэнергетика, 2023, № 9, стр. 45-67

Моделирование процессов смешения однофазных сред в тройниковых соединениях

Ф. В. Тупоносов a, В. И. Артемов a, Г. Г. Яньков a, Н. С. Душин b, О. А. Душина b, А. В. Дедов a, b, *

a Национальный исследовательский университет “Московский энергетический институт”
111250 Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Россия

b Федеральный исследовательский центр “Казанский научный центр Российской академии наук”
420111 г. Казань, ул. Лобачевского, д. 2/31, Россия

* E-mail: dedovav@mpei.ru

Поступила в редакцию 31.03.2023
После доработки 07.04.2023
Принята к публикации 27.04.2023

Аннотация

Цель работы – выбор методики численного моделирования и расчет процессов смешения природного газа с так называемыми “отдувками” нефтехимических производств, содержащими метан, водород и азот, в трубах Т-образного соединения (тройнике) для использования полученной смеси в качестве топлива на тепловых электростанциях. Особенностями смешения топливных газов являются высокие числа Рейнольдса моделируемых потоков, достигающие значений Re = (5–10) × 106. Представлен анализ некоторых экспериментальных и современных расчетных исследований процессов смешения потоков в трубах и тройниковых соединениях. Подчеркивается, что при проведении численного моделирования с помощью осредненных по Рейнольдсу уравнений сохранения применение разнообразных популярных моделей для турбулентной вязкости или рейнольдсовых напряжений не позволяет получить удовлетворительного соответствия экспериментальным данным о смешении потоков в Т-образном смесителе без необоснованного уменьшения турбулентного числа Шмидта (Прандтля) до значения 0.1 или увеличения известной константы моделей турбулентности Сμ в 9 раз. Сделан вывод о нецелесообразности выбора вихреразрешающих методов для исследования процессов смешения в соединениях топливных трубопроводов ввиду высоких чисел Рейнольдса и значительных длин основной трубы. Анализ выполненных расчетов позволил обнаружить существенные колебания локального отношения скорости порождения кинетической энергии турбулентных пульсаций к скорости ее диссипации и резкое уменьшение его среднего значения по сечению трубы на расстояниях в несколько диаметров от начала смешения, не свойственное ни течениям в трубах, ни слоям смешения или струям. Предпринята попытка улучшить предсказательные способности стандартной k–ε-модели для развитой турбулентности, оставаясь в рамках обоснованных значений турбулентного числа Шмидта ${\text{S}}{{{\text{c}}}_{t}}$ и константы Сμ. Предложены эмпирическая формула для ${\text{S}}{{{\text{c}}}_{t}}$ и модификация стандартной k–ε-модели, учитывающей переменность Сμ согласно зависимости Роди, тщательно верифицированной на данных о разнообразных свободных течениях. Проведены экспериментальные исследования изотермического смешения в Т-образном смесителе потоков воздуха, один из которых содержал трассеры в виде микрокапель жидкости на основе глицерина. Профили гидродинамических характеристик течения за тройником измерялись планарным оптическим методом SIV на дистанции 5.5D от оси пересечения труб. В целях верификации модифицированной k–ε-модели выполнено численное моделирование процессов смешения газов и жидкостей в Т-образном смесителе и проведено сравнение расчетных и экспериментальных данных. Представлены результаты расчетов процессов смешения природного газа с метановодородной фракцией нефтехимических производств в Т-образном смесителе.

Ключевые слова: Т-образный смеситель, смешение топливных газов, численное моделирование, верификация модели турбулентности, эксперимент, метод SIV

Список литературы

  1. Paul E.L., Atiemo-Obeng V.A., Kresta S.M. Handbook of industrial mixing: science and practice. John Wiley & Sons, 2004.

  2. Static mixers: Mechanisms, applications, and characterization methods – A review / A. Ghanem, T. Lemenand, D.D. Valle, H. Peerhossaini // Chem. Eng. Res. Des. 2014. V. 92. Is. 2. P. 205–228. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2013.07.013

  3. Heat and mass transfer mixing enhancements in pipe-line; numerical cfd and experimental chores: A review / Z.H. Khokhar, M.S. Al-Harthi, B.F. Abusharkh, H.H. Al-Ali, R.N. Sharma, H.D. Zughbi, A.A. Shaikh, H.H. Redhwi, A. Abdurraheem, S.U. Rehman, S.J. Zaidi, Z.U. Khan, I.A. Hussain, B.S. Yilbas // Int. J. Eng. Sci. Innovative Technol. (IJESIT). 2013. V. 2. Is. 1. P. 1–11.

  4. Ger A.M., Holley E.R. Turbulent jets in crossing pipe flow. University of Illinois at Urbana-Champaign, 1974.

  5. Ger A.M., Holley E.R. Comparison of single-point injections in pipe flow // J. Hydraulics Division. 1976. V. 102. Is. 6. P. 731–746.

  6. Pipeline mixing between two fluid streams meeting at a T-junction / T. Maruyama et al. // Int. Chem. Eng. 1981. V. 21. Is 2. P. 205–212.

  7. Forney L.J., Kwon T.C. Efficient single-jet mixing in turbulent tube flow // AIChE J. 1979. V. 25. Is. 4. P. 623–630. https://doi.org/10.1002/aic.690250408

  8. Forney L.J., Lee H.C. Optimum dimensions for pipeline mixing at a T-junction // AIChE J. 1982. V. 28. Is. 6. P. 980–987. https://doi.org/10.1002/aic.690280613

  9. O’Leary C.D., Forney L.J. Optimization of in-line mixing at a 90 degree tee // Ind. Eng. Chem. Process Des. Dev. 1985. V. 24. Is. 2. P. 332–338. https://doi.org/10.1021/i200029a019

  10. Sroka L.M., Forney L.J. Fluid mixing in a 90 degree pipeline elbow // Ind. Eng. Chem. Res. 1989. V. 28. Is. 6. P. 850–856.

  11. Tosun G. A study of micromixing in tee mixers // Ind. Eng. Chem. Res. 1987. V. 26. Is. 6. P. 1184–1193. https://doi.org/10.1021/ie00066a021

  12. Investigations on mixing phenomena in single-phase flows in a T-junction geometry / R. Zboray, A. Manera, B. Niceno, H.-M. Prasser // Proc. of the 12th Intern. Topical Meeting on Nuclear Reactor Therm. Hydraulics (NURETH-12). Sheraton Station Square, Pittsburgh, Pennsylvania, USA, 30 Sept.–4 Oct. 2007. No. 71. P. 1–20.

  13. Investigations on mixing phenomena in single-phase flow in a T-junction geometry / C. Walker, M. Simianoa, R. Zboray, H.-M. Prasser // Nucl. Eng. Des. 2009. V. 239. P. 116–126. https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2008.09.003

  14. Experiments and unsteady CFD-calculations of thermal mixing in a T-junction / J. Westin, F. Alavyoon, L. Andersson, P. Veber, M. Henriksson, C. Andersson // OECD/NEA/IAEA Workshop on the Benchmarking of CFD Codes for Application to Nuclear Reactor Safety (CFD4NRS). Munich, Germany, 2006. P. 1–15.

  15. Thermal mixing in a T-junction: novel CFD-grade measurements of the fluctuating temperature in the solid wall / O. Braillard, R. Howard, K. Angele, A. Shams, N. Edh // Nucl. Eng. Des. 2018. V. 330. P. 377–390. https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2018.02.020

  16. Tracer dispersion in a duct: Experimental and numerical approach – application to the well-mixing length determination / T. Gelain, J. Alengry, O. Vauquelin, L. Ricciardi // Nucl. Eng. Des. 2019. V. 353. P. 110229. https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2019.110229

  17. Roley G., Fahien R.W. Gaseous diffusion at moderate flow rates in circular conduits. Ames Laboratory, Iowa State University of Science and Technology, 1960. V. 330.

  18. Evans G.V. A study of diffusion in turbulent pipe flow // J. Basic Eng. 1967. V. 89. Is. 3. P. 624–631. https://doi.org/10.1115/1.3609669

  19. Quarmby A., Anand R.K. Non-axisymmetric turbulent mass transfer in a circular tube // J. Fluid Mech. 1969. V. 38. Is. 3. P. 457–472. https://doi.org/10.1017/S0022112069000279

  20. Monclova L.A., Forney L.J. Numerical simulation of a pipeline tee mixer // Ind. Eng. Chem. Res. 1995. V. 34. Is. 4. P. 1488–1493. https://doi.org/10.1021/ie00043a058

  21. CFD-code PHOENIX. [Электрон. ресурс.] https://www.cham.co.uk/phoenics.php

  22. Launder B.E., Spalding D.B. The numerical computation of turbulent flows // Comput. Methods Appl. Mech. Eng. 1974. V. 3. Is. 2. P. 269–289. https://doi.org/10.1016/0045-7825(74)90029-2

  23. Kok J.B.W., van der Wal S. Mixing in T-junctions // Appl. Math. Model. 1996. V. 20. Is. 3. P. 232–243. https://doi.org/10.1016/0307-904X(95)00151-9

  24. Bird R.B., Stewart W.E., Lightfoot E.N. Transport phenomena. Revised 2nd ed. Wiley India Private Limited, 2006.

  25. Wang X., Feng Z., Forney L.J. Computational simulation of turbulent mixing with mass transfer // Comput. Struct. 1999. V. 70. Is. 4. P. 447–465. https://doi.org/10.1016/S0045-7949(98)00160-6

  26. Steady-state RANS-simulations of the mixing in a T-junction / C. Walker, A. Manera, B. Niceno, M. Simiano, H.-M. Prasser // Nucl. Eng. Des. 2010. V. 240. Is. 9. P. 2107–2115. https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2010.05.056

  27. Menter F.R. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications // AIAA J. 1994. V. 32. No. 8. P.1598–1605. https://doi.org/10.2514/3.12149

  28. CFD-code ANSYS-CFX. [Электрон. ресурс.] https://www.ansys.com/products/fluids/ansys-cfx

  29. Simulation of turbulent and thermal mixing in T-junctions using URANS and scale-resolving turbulence models in ANSYS CFX / Th. Frank, C. Lifantea, H.-M. Prasser, F. Menter // Nucl. Eng. Des. 2010. V. 240. Is. 9. P. 2313–2328. https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2009.11.008

  30. Menter F., Egorov Y.A. Scale adaptive simulation model using two-equation models // Proc. of the 43rd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibition. Reno, Nevada, USA: American Institute of Aeronautics and Astronautics, 10–12 Jan. 2005. Published online: 2012. https://doi.org/10.2514/6.2005-1095

  31. CFD-code ANSYS-Fluent. [Электрон. ресурс.] https://www.ansys.com/products/fluids/ansys-fluent

  32. Smith B.L., Mahaffy J.H., Angele K. A CFD benchmarking exercise based on flow mixing in a T-junction // Nucl. Eng. Des. 2013. V. 264. P. 80–88. https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2013.02.030

  33. Investigation on the flow behaviour of a Venturi type gas mixer designed for dual fuel diesel engines / B.J. Bora, B.K. Debnath, N. Gupta, N. Sahoo, U.K. Saha // Int. J. Energ. Technol. Adv. Eng. 2013. V. 3. Is. 3. P. 202–209.

  34. Study on the coolant mixing phenomenon in a 45° T‑junction based on the thermal-mechanical coupling method / M. Wang, D. Fang, Y. Xiang, Y. Fei, Y. Wang, W. Ren, W. Tian, G.H. Su, S. Qiu // Appl. Therm. Eng. 2018. V. 144. P. 600–613. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2018.08.073

  35. CFD-code STAR-CCM+. [Электрон. ресурс.] https://plm.sw.siemens.com/en-US/simcenter/fluids-thermal-simulation/star-ccm/

  36. Flow features and thermal stress evaluation in turbulent mixing flows / C. Evrim, X. Chu, F.E. Silber, A. Isaev, S. Weihe, E. Laurien // Int. J. Heat Mass Transfer. 2021. V. 178. P. 121605.

  37. CFD-code OpenFoam. [Электрон. ресурс.] https:// www.openfoam.com

  38. Abaqus S. V2016 user’s manual and documentation Dassault Systèmes Simulia Corp. USA, 2016.

  39. Höhne T. Scale resolved simulations of the OECD/NEA–Vattenfall T-junction benchmark // Nucl. Eng. Des. 2014. V. 269. P. 149–154. https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2013.08.021

  40. Расчетные исследования процесса перемешивания неизотермических потоков натриевого теплоносителя в тройнике / А.А. Аксёнов, С.В. Жлуктов, В.В. Шмелев, Е.В. Шапоренко, С.Ф. Шепелев, С.А. Рогожкин, А.Н. Крылов // Компьютерные исследования и моделирование. 2017. Т. 9. № 1. С. 95–110. https://doi.org/10.20537/2076-7633-2017-9-95-110

  41. CFD-code FlowVision. [Электрон. ресурс.] https:// flowvision.ru/ru/

  42. Flow and heat transfer in cross-stream type T-junctions: A computational study / B. Krumbein, V. Termini, S. Jakirlić, C. Tropea // Int. J. Heat Fluid Flow. 2018. V. 71. P. 179–188. https://doi.org/10.1016/j.ijheatfluidflow.2018.03.013

  43. Evrim C., Chu X., Laurien E. Analysis of thermal mixing characteristics in different T-junction configurations // Int. J. Heat Mass Transfer. 2020. V. 158. P. 120019. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.120019

  44. Thermal mixing characteristics of T-junction incident along central axis based on large-eddy simulations / Z. Lin, L. Yang, J. Tao, X. Li, X. Zheng // Appl. Therm. Eng. 2023. V. 221. P. 119756. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2022.119756

  45. Eames I., Austin M., Wojcik A. Injection of gaseous hydrogen into a natural gas pipeline // Int. J. Hydrogen Energy. 2022. V. 47. Is. 61. P. 25745–25754. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.05.300

  46. Spalart P., Allmaras S. A one-equation turbulence model for aerodynamic flows // Proc. of the 30th Aerospace Sciences Meeting and Exhibition. Reno, Nevada, USA: American Institute of Aeronautics and Astronautics, 6–9 Jan. 1992. https://doi.org/10.2514/6.1992-439

  47. Comments on the feasibility of LES for wings, and on a hybrid RANS/LES approach / P. Spalart, W.-H. Jou, M. Strelets, S. Allmaras // Advances in DNS/LES. 1997.

  48. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1973.

  49. Wilke C.R. A viscosity equation for gas mixtures // J. Chem. Phys. 1950. V. 18. Is. 4. C. 517–519. https://doi.org/10.1063/1.1747673

  50. Mason E.A., Saxena S.C. Approximate formula for the thermal conductivity of gas mixtures // Phys. Fluids. 1958. V. 1. Is. 5. P. 361–369. https://doi.org/10.1063/1.1724352

  51. The SST turbulence model with improved wall treatment for heat transfer predictions in gas turbines / F. Menter, J.C. Ferreira, T. Esch, B. Konno // Proc. of the Intern. Gas Turbine Congress. Tokyo, Japan, 2–7 Nov. 2003.

  52. Launder B.E. On the computation of convective heat transfer in complex turbulent flows // J. Heat Transfer. 1988. V. 110. Is. 4b. P. 1112–1128. https://doi.org/10.1115/1.3250614

  53. CFD-code ANES. [Электрон. ресурс.] http://anes. ch12655.tmweb.ru

  54. Gibson M.M., Launder B.E. On the calculation of horizontal, turbulent, free shear flows under gravitational influence // J. Heat Transfer. 1976. V. 98. Is. 1. P. 81–87. https://doi.org/10.1115/1.3450474

  55. Rodi W. The prediction of free turbulent boundary layers by use of a two-equation model of turbulence: Thesis … for the degree of Doctor of Philosophy. L.: Engineering University; Imperial College, 1972.

  56. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1974.

  57. Mikheev N.I., Dushin N.S. A method for measuring the dynamics of velocity vector fields in a turbulent flow using smoke image-visualization videos // Instruments Exp. Tech. 2016. V. 59. Is. 6. P. 882–889. https://doi.org/10.1134/S0020441216060063

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Теплоэнергетика

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал