高温气体喷水冷却过程数值仿真研究

作者:刘鑫鑫;李德庆;崔燚; 刊名:航空计算技术 上传者:吴汉钧

【摘要】环控试验会排出大量的高温气体,高温气体可通过喷水冷却到合适的温度后排出室外,高温气体喷水冷却过程不仅包含了气、液两相耦合流动,而且存在水的蒸发相变.以国内某环控试验室高温气体喷水冷却系统为例,提出了一种基于欧拉-拉格朗日多相流模型的高温气体喷水冷却过程数值仿真方法,并在STAR-CCM+上进行了数值仿真研究,仿真结果表明方法对于高温气体喷水冷却过程数值仿真具有一定的参考意义.

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引言环控试验中为实现温度、压力的动态变化,在调试及试验过程中都可能存在高温气体的排空情况[1-2]。高温气体直接排放到室外可能会存在安全隐患,可通过喷水冷却到合适的温度后再排到室外。高温气体喷水冷却过程既有水又有空气,是组分不相同的两相组成的气液两相流(也称之为二元气液两相流)[3],并且由于气体温度较高,还需要考虑水的蒸发相变。本文以国内某环控试验室高温气体喷水冷却系统为例,提出了一种基于拉格朗日多相流模型的高温气体喷水冷却过程数值仿真方法,采用该方法在STAR-CCM+上进行了数值仿真研究,并对仿真结果进行了分析,说明了该数值仿真方法的合理性。1物理模型及简化1.1物理模型国内某环控试验室环控试验时排空气体最大压力为2.2MPa、最高温度为550、最大流量为10000kg/h。根据环控试验室排空气体参数及试验台布局设计了高温气体喷水冷却系统,如图1所示。由于气体温度较高,未采用常规喷嘴进行喷水,而是在排气管路中加装一根喷水管,喷水管通过水管与高压柱塞泵连接,并且喷水管上设置有4对喷水小孔用于对高温气体进行喷射冷却。1.2模型简化高温气体喷水冷却数值仿真时不对下游消音设备以及上游排气设备进行模拟,只考虑中间核心管路的喷水冷却过程,但是下游应选取足够长的管路保证高温气体和水充分混合,同时可以省去水从柱塞泵加压进入喷水管再从喷水孔喷射的过程,仅考虑水的喷射过程,将4对喷水小孔当成4对喷嘴,但是需保留原喷水管的外形,模型简化示意如图2。图2模型简化示意2数值仿真方法2.1多相流模型选择采用多相流数值仿真时存在相间作用、相间平衡等复杂现象,单相流动的数值仿真计算方法不能很好地模拟多相流动[4]。目前用于研究多相流动的模型可以分为3大类[5]:拉格朗日模型、欧拉模型和欧拉-拉格朗日模型。根据仿真简化及文献[5]中对多相流动模型的描述,本文应采用欧拉-拉格朗日多相流模型进行数值仿真,将空气相视为连续流动区域,采用欧拉模型;将水相视为无限小的离散粒子,实际仿真时只需要足够小就可以(粒子再小也对仿真结果没有影响),采用拉格朗日模型。关于欧拉-拉格朗日模型的控制方程在文献[5]中有详细阐述,本文不再赘述。2.2蒸发相变方程由于高温气体温度较高(550),需考虑水的蒸发相变,目前确定气体水合物相变潜热的主要数值方法为Clausisu-Clapeyron方程[6]:L=RT2PsatdPsatdT(1)式中,L为相变潜热,R为气体常数,T为温度,Psat为饱和蒸气压力。对于饱和蒸气压力而言,目前计算精度最高的显函数方程为Wagner方程[6]:Psat=PcexpA+B1.5+C3+D6()Tr(2)式中,Tr=T/Tc,=1-Tr;Pc为临界压力,Tr为退化温度,Tc为临界温度,A,B,C,D为方程系数。2.3仿真实现基于SATR-CCM+软件对简化后的模型进行数值仿真模拟,采用多面体网格生成器对模型进行网格化,如图3所示,需注意的是在喷嘴处应进行网格加密处理,网格生成后可根据上文选择的欧拉-拉格朗日模型和蒸发相变方程进行多相流仿真设置。图3仿真网格示意边界条件设置时,高温气体排放管路入口边界为空气单相,采用质量流量入口条件,出口边界为空气、水两相,采用压力出口条件,喷嘴处边界为水单相,通过软件中喷射器模块设置,采用体积流速出口条件。需注意的是,由于入口压力为2.2MPa,质量流量入口条件无法设定压力,考虑到管路内流阻较小可以忽略不计,可将背压设置为2.2MPa。3仿真结果与分析基于STAR-CCM+软件对不同喷水量下(1.2m3/h和1.8m3/h)的高温气体冷

参考文献

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