Расчет температуры адиабатической стенки, обтекаемой сверхзвуковым расширяющимся газокапельным потоком

Автор: Ирина Валерьевна Голубкина

Соавторы: Осипцов А.Н.

Организация: НИИ механики МГУ им. М.В. Ломоносова

Исследуется сверхзвуковое стационарное течение газокапельной смеси в плоском линейно расширяющемся канале с теплоизолированными стенками. Для анализа структуры течения и теплообмена используется двухконтинуальная модель газокапельной среды c пренебрежимо малой объемной концентрацией дисперсной фазы [1]. Учитываются фазовые переходы на поверхности капель. Предполагается, что во входном сечении канала фазы находятся в состоянии равновесия, а температура жидкости на поверхности и внутри капель не меняется во всей рассматриваемой области. Численно исследуется характер течения как в невязком ядре потока, так и в двухфазном пограничном слое.

Для определения параметров фаз вдали от стенки решаются квазиодномерные невязкие уравнения двухфазной среды с учетом обратного влияния и процесса конденсации. Показано, что температура газа вдоль оси канала меняется немонотонно: сначала температура снижается за счет падения давления в расширяющемся потоке, затем растет за счет конденсации. Разница температур фаз определяет скорость увеличения радиуса капель. Найдены условия, при которых происходит наиболее интенсивный рост капель.

Моделирование течения вблизи плоской стенки осуществляется с использованием уравнений ламинарного сжимаемого газокапельного пограничного слоя [2]. В пристеночной области помимо силы сопротивления Стокса учитывается боковая сила Сэфмана, приводящая к осаждению капель, в результате чего на поверхности стенки может формироваться тонкая пленка. В зависимости от свойств фаз и состояния потока во входном сечении канала возможны различные режимы обтекания стенки: полное отсутствие пленки, наличие пленки на конечном участке стенки, наличие непрерывной монотонно растущей пленки. Найдены диапазоны определяющих параметров, соответствующие каждому из режимов. Показано, что даже при массовой концентрации капель в набегающем потоке порядка 1% можно получить снижение температуры стенки в 1.5 раза и более. Полученные в данной работе количественные оценки снижения температуры стенки могут быть использованы при разработке систем безмашинного энергоразделения по методу Леонтьева [3].

Исследование выполнено по открытому плану МГУ за счет средств гранта Российского научного фонда (проект №19-19-00234).