Распределение параметров воздушно-капельной смеси вдоль обтекаемой криволинейной поверхности с учетом фазовых переходов

Abstract

RU: Постановка проблемы. Определена необходимость нахождения параметров воздушно-капельного потока вдоль обтекаемой криволинейной поверхности на основе разработанного программно-методического обеспечения, позволяющего моделировать процессы обтекания тел многофазными потоками. Для описания внешнего воздушно-капельного потока, а также процессов выпадения влаги на обтекаемую поверхность использована модель взаимопроникающих сред, основанная на решении уравнений Навье − Стокса и учитывающая взаимодействие несущего газа и капель жидкости. Численное моделирование процесса распределения жидкости, с учетом фазовых переходов, вдоль обтекаемой поверхности выполнено с использованием метода поверхностных контрольных объемов, базирующегося на уравнениях неразрывности, сохранения количества движения и энергии. Использована методика определения конвективного теплообмена на основе решения уравнений Навье − Стокса и модели турбулентности Spalart − Allmaras с коррекцией для шероховатой стенки и приведено сравнение с известными результатами, полученными в двумерном приближении с использованием интегральных соотношений. Представлены результаты исследований на примере задачи обледенения аэродинамических поверхностей в потоке, содержащем переохлажденные капли воды. Приведены распределения параметров потока вдоль обтекаемой поверхности, а также основных величин, входящих в уравнения массовых и тепловых балансов. Выводы. Разработанная методика дает хорошее качественное и количественное согласование результатов с известными, полученными с помощью полуэмпирических одномерных соотношений, и, при этом, может быть использована при решении задач в трехмерной постановке. Результаты работы могут быть использованы для решения широкого круга прикладных задач, например, при моделировании процессов водно-воздушного охлаждения тонких остряковых рельсов, которые подвергаются упрочняющей термической обработке, с использованием нагрева ТВЧ, упрочняющей термической обработки, напыления расплавов на поверхности металлоизделий, алитирования труб.

UK: Постановка проблеми. Визначено необхідність знаходження параметрів повітряно-крапельного потоку уздовж обтічної криволінійної поверхні за допомогою розробки програмно-методичного забезпечення, яке дозволяє моделювати процеси обтікання тіл багатофазними потоками. Для опису зовнішнього повітряно-крапельного потоку, а також процесів випадання вологи на обтічну поверхню використано модель взаємопроникних середовищ, яка базується на розв’язанні рівнянь Нав'є − Стокса і враховує взаємодію несного газу і крапель рідини. Числове моделювання процесу розподілу рідини, з урахуванням фазових переходів, уздовж обтічної поверхні виконано із застосуванням методу поверхневих контрольних об’ємів, що базується на рівняннях нерозривності, збереження кількості руху і енергії. Застосовано методику визначення конвективного теплообміну на основі розв’зку рівнянь Нав'є − Стокса і моделі турбулентності Spalart − Allmaras з корекцією для шорсткої стінки і наведено порівняння з відомими результатами, отриманими у двовимірному наближенні з використанням інтегральних співвідношень. Наведено результати досліджень на прикладі задачі обмерзання аеродинамічних поверхонь у потоці, що містить переохолоджені краплі води. Наведено розподіл параметрів потоку уздовж обтічної поверхні, а також основних величин, що входять у рівняння масових і теплових балансів. Висновки. Розроблена методика дає хороше якісне і кількісне узгодження результатів із відомими, отриманими за допомогою напівемпіричних одновимірних співвідношень, і, при цьому, може бути застосовано для розв’язання задач у тривимірній постановці. Результати роботи можуть бути використані для розв’язання широкого кола прикладних задач, наприклад, для моделювання процесів водо-повітряного охолодження тонких вістрякових рейок, термічної обробки, напилення розплавів на поверхні металовиробів, алітування труб.

EN: Formulation of the problem. The problem of finding of air-droplet flow parameters along the curved surfaces is considered. The methodology and software has been developed, which allows to model the multiphase flows. A model of interpenetrating media based on solving the Navier − Stokes equations and taking into account the interaction of the carrier gas and liquid drops was used to describe the external air-droplet flow, as well as the processes of moisture sedimentation on the streamlined surface. Numerical simulation of the fluid distribution process, taking into account phase transitions, along the streamlined surface was performed using the method of surface control volumes, based on the equations of continuity, conservation of momentum and energy. The method of determining convective heat transfer based on solving the Navier − Stokes equations and the Spalart − Allmaras turbulence model with correction for a rough wall was used and compared with the known results obtained in the two-dimensional approximation using integral relations. The results of studies are presented on the example of the problem of aerodynamic surfaces icing in a stream containing supercooled water droplets. The distributions of the flow parameters along the streamlined surface, as well as the basic quantities included in the equations of mass and heat balances are given. Conclusions. The developed method gives a good qualitative and quantitative agreement of the results with the known, obtained using semi-empirical one-dimensional relationships, and, at the same time, can be used to solve problems in a three-dimensional formulation. The results of the work can be used to solve a wide range of applied tasks, for example, when modeling water-air cooling processes of thin switch tongues that undergo hardening heat treatment using high-frequency heating, hardening heat treatment, spraying melts on metal surfaces, the process of pipe aluminizing.