КОМПЛЕКСНЫЙ ПОДХОД К ИССЛЕДОВАНИЮ ОБЪЕМНОЙ КОНДЕНСАЦИИ ПРИ РАСШИРЕНИИ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ И МНОГОФАЗНЫХ ПОТОКОВ В МАШИНАХ И АППАРАТАХ КРИОГЕННОЙ ТЕХНИКИ

Был разработан специальный модуль для решения кинетического уравнения для функции распределения капель по размерам, позволяющий при интеграции в расчетный CFD-пакет исследовать объемную конденсацию в потоке. Модуль основан на решении кинетического уравнения для функции распределения капель по размерам моментным методом в общей постановке, подразумевающей возможность применения к двух- и трехмерным постановкам, а также для расчетов с использованием как стационарного, так и нестационарного решателей. Верификация модуля произведена на примере решения задачи об объемной конденсации при истечении парогазовых смесей через сопла разных профилей, путем сравнения с действительными экспериментальными данными (2 набора от разных авторов) в двумерной и трехмерной постановках с учетом образования капель и их роста. Получено качественное и количественное согласование данных – при сравнении результатов расчетов с экспериментом по температурам и давлениям отличие данных составило менее 3%. В ходе решения задачи были также сделаны выводы о влиянии учета роста капель на кинетику конденсации: необходимо учитывать не только образование капель, но и их рост, т.к. именно рост вносит больший вклад в термодинамику процесса. Также показано, что решение в двумерном и трехмерном вариантах постановки задачи совпадает, что позволяет сделать вывод о возможности применения двумерных постановок для решения подобных задач с простой геометрией каналов. Была произведена интеграция модуля в CFD-пакет для решения задачи об объемной конденсации при расширении парогазовой смеси в проточной части ступени турбодетандерного агрегата. Стоит отметить, что подобных расчетов в литературе ни в отечественном, ни в зарубежном сегменте не встречается. Рассматривается следующая постановка задачи: смесь, состоящая из двух компонентов – газообразного гелия как неконденсирующегося газа-носителя и паров азота в качестве конденсирующейся примеси расширяется в проточной части ступени турбодетандерного агрегата. Объемная доля примеси в потоке не превышает 3-5%. Задача решается в однотемпературном приближении, т.е. принимается, что температуры компонентов совпадают. В первом случае расчет проводится без учета процесса объемной конденсации, во втором – с учетом. Такой подход обусловлен необходимостью оценки влияния процесса конденсации на характеристики ступени проточной части турбодетандерного агрегата. В ходе работы были получены распределения степени пересыщения, числовой плотности капель, скорости нуклеации, среднего размера капель. Определено влияние примесей и объемной конденсации этих примесей на КПД ступени турбодетандерного агрегата – показано, что истечение смесевого рабочего тела (без учета фазовых переходов) не сильно влияет на итоговый изоэнтропийный КПД ввиду, очевидно, малого количества примесей (пары азота составляют не более 5% от массы потока). Однако, если учитывать возможность возникновения фазовых переходов, а именно объемную конденсацию, то это влияние оказывается весьма существенным: изоэнтропийный КПД ступени снизился на ~6.5 процентных пунктов, что, в свою очередь объясняется активным тепловыделением при росте капель (тепловыделение при образовании капель также имеет место, однако оно на порядки меньше тепловыделения при росте капель). Также показано, что при конденсации, в зоне активного роста капель температура и давление вследствие активного тепловыделения увеличиваются, что, в конечном итоге, влияет на эффективность работы ступени – эффективность охлаждения потока в направляющем аппарате снижается, что приводит к поступлению в рабочее колесо более теплого потока. Следовательно, ступень турбодетандера менее эффективно выполняет свою основную функцию – генерацию холода. Помимо снижения эффективности процесса детандирования при расширении смесевого потока, есть как минимум еще одно негативное воздействие объемной конденсации. Вследствие образования и роста капель до достаточно большого размера (около 0.6 мкм в диаметре) увеличивается вероятность износа как проточной части в целом, так и лопаток рабочего колеса. При длительном воздействии это может приводить к эрозийному разрушению рабочего колеса, и гарантированно снижает рабочий ресурс проточной части. Показано, что давление на лопатку в области входной кромки существенно выше в случае течения с конденсацией, чем в случае с истечением чистого газа. Так, например, в области входа максимальное давление потока без учета конденсации составляет ~ 6.7 атм, в то время как во втором (с учетом конденсации) это значение составляет ~10.29. Это объясняется тем, что капли конденсата, образовавшиеся в подводящем коллекторе и активно растущие в направляющем аппарате, имеют большую плотность, по сравнению с газом-носителем и очень высокую скорость, на которой этот смесевой поток «врезается» в лопатку. Именно такое длительное (или импульсное высокой частоты) воздействие приводит к разрушению рабочего колеса. Получено качественное согласование локализации областей объемной конденсации на примере разрушения реальных радиально-осевых турбодетандерных агрегатов вследствие бомбардировки образующимися каплями.