Численное моделирование распада водяной струи под воздействием колебаний скорости истечения
Выполнены численные исследования вынужденного распада водяной струи под воздействием гармонических колебаний скорости истечения. Показана адекватность используемой модели. Определены области режимов распада струи под воздействием синусоидальных колебаний. Виконано числові дослідження змушеного розпа...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Промышленная теплотехника |
|---|---|
| Дата: | 2007 |
| Автори: | , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут технічної теплофізики НАН України
2007
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/61248 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Численное моделирование распада водяной струи под воздействием колебаний скорости истечения / А.И. Тыринов, А.А. Авраменко, Б.И. Басок, А.И. Тесля // Промышленная теплотехника. — 2007. — Т. 29, № 2. — С. 7-10. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-61248 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Тыринов, А.И. Авраменко, А.А. Басок, Б.И. Тесля, А.И. 2014-04-27T20:27:16Z 2014-04-27T20:27:16Z 2007 Численное моделирование распада водяной струи под воздействием колебаний скорости истечения / А.И. Тыринов, А.А. Авраменко, Б.И. Басок, А.И. Тесля // Промышленная теплотехника. — 2007. — Т. 29, № 2. — С. 7-10. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 0204-3602 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/61248 532.5: 536.24 Выполнены численные исследования вынужденного распада водяной струи под воздействием гармонических колебаний скорости истечения. Показана адекватность используемой модели. Определены области режимов распада струи под воздействием синусоидальных колебаний. Виконано числові дослідження змушеного розпаду водяного струменя під впливом гармонійних коливань швидкості витікання. Зроблено оцінку адекватності використовуваної моделі. Визначено області режимів розпаду струменя під впливом синусоїдальних коливань. Numerical investigations of the water jet break-up under the influence of harmonious fluctuations of inlet velocity are carried out. The adequacy of model is shown. Areas of jet break-up regimes under the influence of sine wave fluctuations are determined. ru Інститут технічної теплофізики НАН України Промышленная теплотехника Тепло- и массообменные процессы Численное моделирование распада водяной струи под воздействием колебаний скорости истечения Numerical simulation of the breakup of a water jet under the influence of outflow velocity fluctuations Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Численное моделирование распада водяной струи под воздействием колебаний скорости истечения |
| spellingShingle |
Численное моделирование распада водяной струи под воздействием колебаний скорости истечения Тыринов, А.И. Авраменко, А.А. Басок, Б.И. Тесля, А.И. Тепло- и массообменные процессы |
| title_short |
Численное моделирование распада водяной струи под воздействием колебаний скорости истечения |
| title_full |
Численное моделирование распада водяной струи под воздействием колебаний скорости истечения |
| title_fullStr |
Численное моделирование распада водяной струи под воздействием колебаний скорости истечения |
| title_full_unstemmed |
Численное моделирование распада водяной струи под воздействием колебаний скорости истечения |
| title_sort |
численное моделирование распада водяной струи под воздействием колебаний скорости истечения |
| author |
Тыринов, А.И. Авраменко, А.А. Басок, Б.И. Тесля, А.И. |
| author_facet |
Тыринов, А.И. Авраменко, А.А. Басок, Б.И. Тесля, А.И. |
| topic |
Тепло- и массообменные процессы |
| topic_facet |
Тепло- и массообменные процессы |
| publishDate |
2007 |
| language |
Russian |
| container_title |
Промышленная теплотехника |
| publisher |
Інститут технічної теплофізики НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Numerical simulation of the breakup of a water jet under the influence of outflow velocity fluctuations |
| description |
Выполнены численные исследования вынужденного распада водяной струи под воздействием гармонических колебаний скорости истечения. Показана адекватность используемой модели. Определены области режимов распада струи под воздействием синусоидальных колебаний.
Виконано числові дослідження змушеного розпаду водяного струменя під впливом гармонійних коливань швидкості витікання. Зроблено оцінку адекватності використовуваної моделі. Визначено області режимів розпаду струменя під впливом синусоїдальних коливань.
Numerical investigations of the water jet break-up under the influence of harmonious fluctuations of inlet velocity are carried out. The adequacy of model is shown. Areas of jet break-up regimes under the influence of sine wave fluctuations are determined.
|
| issn |
0204-3602 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/61248 |
| citation_txt |
Численное моделирование распада водяной струи под воздействием колебаний скорости истечения / А.И. Тыринов, А.А. Авраменко, Б.И. Басок, А.И. Тесля // Промышленная теплотехника. — 2007. — Т. 29, № 2. — С. 7-10. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT tyrinovai čislennoemodelirovanieraspadavodânoistruipodvozdeistviemkolebaniiskorostiistečeniâ AT avramenkoaa čislennoemodelirovanieraspadavodânoistruipodvozdeistviemkolebaniiskorostiistečeniâ AT basokbi čislennoemodelirovanieraspadavodânoistruipodvozdeistviemkolebaniiskorostiistečeniâ AT teslâai čislennoemodelirovanieraspadavodânoistruipodvozdeistviemkolebaniiskorostiistečeniâ AT tyrinovai numericalsimulationofthebreakupofawaterjetundertheinfluenceofoutflowvelocityfluctuations AT avramenkoaa numericalsimulationofthebreakupofawaterjetundertheinfluenceofoutflowvelocityfluctuations AT basokbi numericalsimulationofthebreakupofawaterjetundertheinfluenceofoutflowvelocityfluctuations AT teslâai numericalsimulationofthebreakupofawaterjetundertheinfluenceofoutflowvelocityfluctuations |
| first_indexed |
2025-11-24T03:34:27Z |
| last_indexed |
2025-11-24T03:34:27Z |
| _version_ |
1850841060239998976 |
| fulltext |
Введение
Процессы гранулирования имеют широкое рас;
пространение во многих областях техники. Однако
реальная эффективность их зависит от монодис;
персности получаемых частиц. Значительное повы;
шение эффективности рассматриваемых процессов
дает применение вибрационного диспергирования
жидкостей, основанное на возбуждении вынужден;
ного распада струй с помощью модуляции скорости
истечения жидкости и обеспечивающее получение
потоков капель с составом, близким к монодис;
персному. Численное моделирование процессов
вынужденного распада струй позволит оптимизи;
ровать процессы диспергирования.
Физическая модель
На рис. 1 показана схема исследуемой области.
Через сопло с диаметром d0 вытекает струя воды
под действием силы тяжести в неограниченное
пространство, заполненное воздухом. На вход;
ную скорость струи накладываются осцилляции
с определенными частотами и амплитудами.
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2007, т. 29, № 2 7
ТЕПЛО� И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
Виконано числові дослідження зму)
шеного розпаду водяного струменя під
впливом гармонійних коливань швид)
кості витікання. Зроблено оцінку адек)
ватності використовуваної моделі. Виз)
начено області режимів розпаду
струменя під впливом синусоїдальних
коливань.
Выполнены численные исследова)
ния вынужденного распада водяной
струи под воздействием гармонических
колебаний скорости истечения. Показа)
на адекватность используемой модели.
Определены области режимов распада
струи под воздействием синусоидаль)
ных колебаний.
Numerical investigations of the water
jet break)up under the influence of harmo)
nious fluctuations of inlet velocity are car)
ried out. The adequacy of model is shown.
Areas of jet break)up regimes under the
influence of sine wave fluctuations are
determined.
УДК 532.5: 536.24
ТЫРИНОВ А.И., АВРАМЕНКО А.А.,
БАСОК Б.И., ТЕСЛЯ А.И
Институт технической теплофизики НАН Украины
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПАДА ВОДЯНОЙ
СТРУИ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ КОЛЕБАНИЙ СКОРОСТИ
ИСТЕЧЕНИЯ
a – объемная фракция жидкости;
av – амплитуда;
f – частота;
k – кривизна поверхностной нормали;
r – радиальная координата;
p – давление;
t – время;
x – осевая координата;
V0 – постоянная составляющая скорости;
vr – радиальная составляющая скорости;
vx – осевая составляющая скорости;
σ – поверхностное натяжение;
ρ – плотность;
μ – коэффициент динамической вязкости.
Рис. 1. Схема исследуемой области.
Математическая модель
Численные расчеты проводились на основе
двухмерной осесимметричной модели. Уравне;
ния переноса импульсов в осевом (x) и радиаль;
ном (r) направлениях имеют вид [1]:
, (1)
. (2)
Эта система замыкалась уравнением нераз;
рывности
. (3)
Плотность в уравнениях (1), (2) и (3) вычисля;
ется по формуле
, (4)
где a2 – объемная фракция среды (в данном слу;
чае воды) в вычислительной ячейке, ρ2 – ее плот;
ность, ρ1 – плотность воздуха.
Используемая модель основывается на допу;
щении, что исследуемые фазы (в данном случае
вода и воздух) взаимно не проникают. Для каж;
дой среды в модели введена переменная, пред;
ставляющая собой объемную фракцию среды в
вычислительной ячейке. В каждой ячейке сумма
объемных фракций всех фаз составляет единицу.
Таким образом, значения переменных в любой
ячейке определяют текущее количество данной
фазы в зависимости от объемных значений фрак;
ции. Возможны следующие три состояния:
a2 = 0: фаза в ячейке отсутствует,
a2 = 1: фаза полностью заполняет ячейку,
0 < a2 < 1: фаза заполняет ячейку частично.
Поверхность раздела между фазами определя;
ется в соответствии с решением уравнения не;
разрывности для объемной фракции каждой фа;
зы. Для q;й фазы это выражение имеет
следующий вид:
.
Fx и Fr в уравнениях (1) и (2) являются соответ;
ственно осевой и радиальной составляющими си;
лы, учитывающей поверхностное натяжение [2]
,
где σ – поверхностное натяжение (в данном слу;
чае воды), кривизна k поверхности определяется
следующим образом:
, , .
Геометрия расчетной области
и граничные условия
Расчетная область представляет собой прямо;
угольник с физическими размерами расчетной об;
ласти 3мм х 70мм (рис. 2). Расчетная сетка является
равномерной с размером ячейки 0,05мм х 0,05мм.
Для границ расчетной области, отмеченных
цифрами на рис. 2, использованы следующие
граничные условия:
Граница 1 – заданы скорость и объемная фрак;
ция жидкости. Средняя скорость жидкости V0
модулируется синусоидальными колебаниями и
определяется выражением
.
Объемная фракция воды задана равной 1.
( )0 vv 1 sin 2x V a ft⎡ ⎤= + π⎣ ⎦
qn a= ∇n
n
n
=k n= ∇
2 2
1 2
1
( )
2
k a
F
ρ ∇= σ
ρ + ρ
2 2 2 1(1 )a aρ = ρ + − ρ
8 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2007, т. 29, № 2
ТЕПЛО) И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
Граница 2 – задано атмосферное давление.
Объемная фракция воды задана равной 0.
Граница 3 – задано атмосферное давление.
Граница 4 – ось симметрии.
Моделирование проводилось для диамет;
ров сопла 0,85 и 1,25 мм и средних скоростей
истечения V0, равных 0,6; 0,7; 1; 2 и 3 м/с.
Значение амплитуды модулирующих колеба;
ний av = 0,01.
Результаты моделирования
Результаты моделирования показали, что
струя жидкости под воздействием возмущаю;
щих колебаний распадалась или не распадалась
на капли в зависимости от задаваемых парамет;
ров осцилляций скорости – амплитуды и часто;
ты. Монодисперсность капель также зависит от
этих параметров.
При постоянном значении скорости модель
не может адекватно выявлять распад. Для пра;
вильного отражения физической картины необ;
ходимо вводить минимальные осцилляции [3].
Минимальная амплитуда, необходимая для мо;
делирования распада, зависит от задаваемых
скорости и частоты колебаний. Для рассмотрен;
ных параметров минимальное значение ампли;
туды составляет 10–3 постоянной составляющей
скорости.
На рис. 3 показаны результаты численного
моделирования (а) и экспериментальных ис;
следований (б), проведенных в ИТТФ НАНУ
на экспериментальной установке. Эти резуль;
таты получены для диаметра струи, равного
1,25мм, частоты модулирующих колебаний 250 Гц
и постоянной составляющей скорости 0,7м/с.
Видно, что результаты численного моделиро;
вания хорошо коррелируют с эксперименталь;
ными данными. Для вышеуказанных условий
диаметры капель равны 2,45мм для экспери;
мента и 2,41мм для результатов моделирова;
ния, что составляет погрешность менее 2%.
Это свидетельствует об адекватности предло;
женной модели.
Как результаты численного эксперимента, так
и опытные данные свидетельствуют о том, что в
ряде случаев при распаде струи могут образовы;
ваться капли;спутники.
В зависимости от варьирования параметров
возникают различные режимы распада струи:
распад отсутствует, распад с каплями;спутни;
ками и монодисперсный распад (без спутни;
ков). Для технологических процессов гранули;
рования очень важным является получение
монодисперсного состава образующихся ка;
пель. Полученные результаты моделирования
позволили построить диаграмму в фазовой пло;
скости V0 – f, которая определяет области для
различных режимов распада струи. Диаграмма
представлена на рис. 4. Тут же представлены и
экспериментальные кривые [4]. Как можно
увидеть, результаты численного моделирования
распада струи диаметром 0,85мм хорошо согла;
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2007, т. 29, № 2 9
ТЕПЛО) И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
Рис. 2. Геометрия и типы границ расчетной области.
Рис. 3. Изображения поверхности струи при
устойчивом распаде. а – полученное при
моделировании; б – фотография эксперимента.
суются с экспериментальными данными для
струи того же диаметра.
Выводы
Рассмотренная математическая модель вынуж;
денного распада струи под действием гармониче;
ских колебаний адекватно описывает физические
процессы распада. Эта модель учитывает допол;
нительные факторы, описывающие влияние по;
верхностных сил. Ее использование позволяет
определять параметры вынуждающих колебаний,
необходимых для реализации монодисперсного
распада.
ЛИТЕРАТУРА
1. G.K. Batchelor. An Introduction to Fluid
Dynamics. Cambridge Univ. Press, Cambridge,
England, 1967.
2. J.U. Brackbill, D.B. Kothe, and C. Zemach. A
Continuum Method for Modeling Surface Tension //
J. Comput. Phys., 100:335;354, 1992.
3. Флетчер К., Численные методы на основе
метода Галеркина. – М.: Мир, 1988. – 352 с.
4. Park R.W., Crosby E.J. A device for producing
controlled collisions between pairs of drops. – Chem.
Eng. Sci., 1965, Vol. 20, p.39 – 45.
Получено 04.12.2006 г.
10 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2007, т. 29, № 2
ТЕПЛО) И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
Рис. 4. Диаграмма областей режимов распада струй под действием гармонических колебаний с
нанесенными на нее результатами моделирования. 1 – экспериментальная область распада струи со
спутниками диаметром 0,85 мм; 2 – экспериментальная область распада струи без спутников
диаметром 0,85 мм; 3 – расчетная область распада струи со спутниками диаметром 1,25 мм; 4 –
расчетная область распада струи без спутников диаметром 1,25 мм; 5 – диаметр 0,85 мм, нет
распада; 6 – диаметр 1,25 мм, нет распада; 7 – диаметр 0,85 мм, распад со спутниками; 8 – диаметр
1,25 мм, распад со спутниками; 9 – диаметр 0,85 мм, распад монодисперсный; 10 – диаметр 1,25 мм,
распад монодисперсный.
|