Моделирование методом VOF процессов при пленочной конденсации движущегося пара на поверхности горизонтальных трубных пучков различной компоновки.

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-29-01457

НазваниеМоделирование методом VOF процессов при пленочной конденсации движущегося пара на поверхности горизонтальных трубных пучков различной компоновки.

Руководитель Минко Константин Борисович, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" , г Москва

Конкурс №64 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-201 - Процессы тепло- и массообмена

Ключевые слова Пленочная конденсация, движущейся пар, пучки горизонтальных гладких труб, орошение и режимы стекания пленки, численное моделирование, метод VOF

Код ГРНТИ30.17.35

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Исследованиям процессов пленочной конденсации неподвижного и движущегося чистого пара на внешней поверхности одиночной трубы и разнообразных трубных пучков посвящено большое количество работ. Многие из полученных результатов вошли в учебники (Леонтьев А.И., 1997; Ягов В.В., 2014 и др.), монографии (Исаченко В.П., 1977; Кутателадзе С.С., 1979; Шкловер Г.Г., Мильман О.О., 1985; Гогонин И.И., 2013; Федоров В.А., Мильман О.О., 2013 и др.), легли в основу методик, рекомендованных для применения в справочниках по теплообменным аппаратам (Heat exchanger design handbook, 2008.). Однако, общепринятые рекомендации по учету натекания конденсата с вышерасположенных труб на процесс конденсации на нижерасположенных трубах в литературе отсутствуют. Исследованию данного вопроса были посвящены работы Jacob M., Kern D.Q., Фукса С.Н., Бермана Л.Д., Гогонина И.И и Кутателадзе С.С., Eissenberg D.M., Butterworth D., Шкловера Г.Г., Bontemps A., Федорова В.А. и Мильмана О.О. и др. Тем не менее, как отмечают авторы обзорной статьи Bonneau C. и др, (Nucl. Eng. Des., 2019), противоречивость имеющихся рекомендаций очевидна. Прежде всего это связано со сложностью экспериментального исследования указанных процессов. “Сопряженность” различных факторов, влияющих на процесс конденсации (движение пара или парогазовой смеси, натекание и «срыв» конденсата с пленки, образование зон с повышенным содержанием неконденсирующихся газов, взаимодействие стекающего конденсата с внешним потоком), взаимное “экранирование” вкладов каждого из них в средний коэффициент теплопередачи при неблагоприятном “фоне” в виде относительно низкой теплоотдачи к охлаждающему трубы теплоносителю, отсутствие экспериментальных данных о локальных характеристиках процессов приводят к тому, что выбор наиболее достоверной модели с опорой только на опытные данные значительно затруднен. Для бокового обдува трубного пучка характерно появление несимметричного (относительно вертикального диаметра труб) режима накопления и стекания конденсата. В недавних работах при участии авторов проекта (Минко К.Б и др., Теплоэнергетика, 2021) была разработана инженерная методика расчета конденсации пара на пучке горизонтальных труб из движущейся горизонтально парогазовой смеси (ПГС). Учет несимметричности толщины пленки относительно вертикального диаметра труб и смещение точки отрыва конденсата относительно нижней образующей труб вследствие воздействия на пленку внешнего потока ПГС позволили неплохо воспроизвести экспериментальные результаты (Мильман О.О. и др., Теплоэнергетика 2018) по конденсации чистого пара и пара из движущейся парогазовой смеси. При этом для предельного режима симметричного стекания конденсата указанная методика привела к значительно более низким коэффициентам теплопередачи (до 25%) по сравнению с имеющимися опытными данными. Несимметричная модель стекания конденсата была основана на данных CFD-моделирования авторов (Minko K.B. et. al, Int. J. Heat Mass Transfer, 2019), в котором пленка моделировалась с использованием одномерной модели, а внешний поток ПГС, омывающий трубы, - в двумерной постановке. Полученные в этой работе результаты согласуются с данными экспериментальных исследований Ahmed (MS dissertation, 1976), в которых установлено, что при конденсации на одиночном горизонтальном цилиндре в условиях горизонтального движения пара точка отрыва конденсата смещается от нижней образующей на 10–15°. Однако данные по режимам стекания пленки (капельный, струйный, «полотно») при поперечном обдуве трубного пучка в доступной литературе отсутствуют. Практически не изучено взаимодействие стекающего конденсата с движущимся потоком чистого пара или ПГС. Помимо влияния потока на течение пленки (Авдеев А.А. и др. ТВТ, 2011), наличие конденсата в межтрубном пространстве оказывает существенное влияние на перепад давления в трубном пучке, который может значительно увеличиться (Cuthbertson G., Ph.D thesis, 1999). При общем низком давлении в системе увеличение перепада давления в конденсаторе является негативным эффектом, в том числе и по причине значительного падения температуры насыщения по ходу движения пара. Актуальность использования новых методов анализа совокупности упомянутых выше процессов не вызывает сомнений. Предлагаемый проект имеет своей целью моделирование: - течения пленки конденсата на поверхности горизонтальных охлаждаемых труб с учетом натекания конденсата с вышерасположенных труб; - возможного «срыва» капель с пленки потоком пара; - различных режимов стекания конденсата (капли, ручеек, полотно); - взаимодействие стекающего конденсата с потоком пара в межтрубном пространстве. Исследование направлено на изучение физики протекающих процессов и выявление основных закономерностей. В качестве основы математической модели двухфазного потока планируется использовать метод VOF (Volume Of Fluid), который будет реализован в открытом авторском коде ANES в ходе выполнения проекта. Основное преимущество предлагаемого метода моделирования заключается в возможности явно определять поверхность раздела фаз, без каких-либо допущений. Полученные результаты могут стать основой совершенствования существующих приближенных методик расчета процессов конденсации движущегося пара на поверхности горизонтальных трубных пучков. В ходе исследования планируются следующие этапы: – построение 2-D и 3-D математических и компьютерных моделей конденсации движущегося пара на одиночной горизонтальной трубе на основе метода VOF; – изучение режимов стекания пленки конденсата на одиночной трубе при различных параметрах набегающего потока пара; – изучение течения конденсата во фрагменте, моделирующем представительную ячейку трубного пучка; – определение границ различных режимов стекания конденсата и влияния течения конденсата в межтрубном пространстве на характеристики потока пара. – разработка рекомендаций на основе полученных результатов алгоритмов отрыва «капель» для одномерных CFD моделей пленки. Постановка задачи является принципиально новой, так как в настоящее время в доступных публикациях имеются численные исследования методом VOF только процессов конденсации практически неподвижного пара (Kleiner et. al., Int. J. Heat Mass Transfer, 2020, 2021) на одиночной трубе и движению изотермической пленки конденсата, образованной на вертикальном ряду горизонтальных труб (Karmakar A. et. al., Int. J. Heat Mass Transfer, 2021 и др.). Актуальность изучения процессов при конденсации движущегося пара на поверхности трубных пучков определяется потребностью современных технологий энергоэффективности и энергосбережения в разработках надежных методик проектирования эффективных конденсаторов пара для энергетической, химической, оборонной и др. отраслей промышленности.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Минко К.Б., Артемов В.И., Клементьев А.А., Яньков Г.Г. Моделирование процессов конденсации при обтекании трубы горизонтальным потоком насыщенного пара Материалы Восьмой Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 17—22 октября 2022 г.), Т. 1, С.371-373 (год публикации - 2022)

2. Клементьев А.А., Минко К.Б., Артемов В.И. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КОНДЕНСАЦИИ ПЕНТАНА НА ОДИНОЧНОМ ЦИЛИНДРЕ МЕТОДОМ VOF Материалы Восьмой Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 17—22 октября 2022 г.), Т. 1, С.363-366 (год публикации - 2022)

3. Минко К.Б., Артемов В.И., Клементьев А.А. Validating the Model of a Liquid Condensate Film on the Surface of a Smooth Horizontal Cylinder for Different Vapor Flow Directions Thermal Engineering, V.69, No.12, 942-953 (год публикации - 2022)
10.1134/S0040601522120060

4. Минко К.Б, Артемов В.И., Клементьев А.А. SIMULATION OF FILMWISE CONDENSATION OF STATIONARY AND MOVING VAPOUR ON HORIZONTAL TUBE USING VOF Thermal Engineering, V.70, No.3, 175–193 (год публикации - 2023)
10.1134/S0040601523030059

5. Минко К.Б., Артемов В.И., Клементьев А.А., Андреев С.Н. Simulation of Saturated Vapor Condensation from a Downflow on the Surface of a Horizontal Pipe by the VOF Method Thermal Engineering, V.70, №12, 988-1002 (год публикации - 2023)
10.1134/S0040601523120108

6. Клементьев А.А., Минко К.Б. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ СПОСОБА ЗАДАНИЯ ГРАНИЧНЫХ И НАЧАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ НА РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПЛЕНОЧНОЙ КОНДЕНСАЦИИ МЕТОДОМ VOLUME OF FLUID РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА: Р 154 Двадцать девятая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов (16–18 марта 2023 г., Москва): Тез. докл. — М.: ООО «Центр полиграфических услуг „Радуга“», 2023. — 1240 с., с. 816 (год публикации - 2023)

7. Клементьев А.А., Минко К.Б., Артемов В.И. АНАЛИЗ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ РЕЗУЛЬТАТОВ РАСЧЕТА К ЗНАЧЕНИЮ УГЛА СМАЧИВАНИЯ ПРИ МОДЕЛИРОВАНИИ ПРОЦЕССА ПЛЕНОЧНОЙ КОНДЕНСАЦИИ МЕТОДОМ VOF ПРОБЛЕМЫ ГАЗОДИНАМИКИ И ТЕПЛОМАССООБМЕНА В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ Тезисы докладов XXIV ШКОЛЫ СЕМИНАРА МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ ПОД РУКОВОДСТВОМ АКАД. РАН А.И. ЛЕОНТЬЕВА, ПОСВЯЩЕННОЙ 100-ЛЕТИЮ АКАДЕМИКА РАН В.Е. АЛЕМАСОВА. 2023, 130-131 (год публикации - 2023)

8. Минко К.Б., Артемов В.И., Клементьев А.А. CFD simulation of the inundation effect for saturated propane vapor condensation on the surface of a horizontal tube using the volume of fluid method International Communications in Heat and Mass TransferInternational Communications in Heat and Mass Transfer, V. 154, P. 107432 (год публикации - 2024)
10.1016/j.icheatmasstransfer.2024.107432

9. Минко К.Б., Артемов В.И., Клементьев А.А. Simulation of Film Condensation from Moving Vapor of Refrigerant-21 on a Horizontal Tube Bundle Using the VOF Method Thermal Engineering, V.71, No 6, 482-498 (год публикации - 2024)
10.1134/S004060152406003X

Публикации