Теплообмен в сверхзвуковом газокапельном пограничном слое вблизи стенки расширяющегося канала

Автор: Ирина Валерьевна Голубкина

Соавторы: Осипцов А.Н.

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

Рассматривается сверхзвуковое течение двухкомпонентной смеси «газ-капли» в плоском линейно расширяющемся канале с теплоизолированными стенками. Задача состоит из двух частей: в первой исследуется невязкий двухфазный поток вдали от стенки с целью найти такие соотношения определяющих параметров, которые соответствуют наиболее интенсивному росту капель благодаря процессу конденсации. Вторая часть – исследование движения капель и межфазного теплообмена в пограничном слое на стенке канала. Цель работы – определить, насколько возможно снижение равновесной температуры теплоизолированной стенки из-за наличия в потоке дисперсной фазы.

Для исследования характера газокапельного потока используется двухконтинуальная модель с фазовыми переходами на поверхности капель [1]. Считается, что во всей рассматриваемой области температура жидкости на поверхности и внутри капель не меняется. Для определения параметров потока вдали от пластины решаются квазиодномерные невязкие уравнения двухфазной среды с учетом обратного влияния и процесса конденсации. Установлено, что наиболее интенсивный рост капель происходит при малых значениях относительной массовой концентрации капель, а также при больших значениях параметра расширения канала.

Для исследования течения вблизи стенки используются уравнения теории двухфазного ламинарного  пограничного слоя с малой объемной долей жидкой фазы [2]. В межфазном обмене импульсом, помимо силы аэродинамического сопротивления, учитывается боковая сила Сэфмана, под воздействием которой капли могут выпадать на обтекаемую поверхность. Уравнения двухфазного пограничного слоя решаются численно методом прогонки. Для численного интегрирования уравнений используется неявная разностная схема с первым порядком аппроксимации по продольной координате и вторым порядком - по поперечной.

В результате численных расчетов построены поля параметров фаз, такие как температура газа, размер и концентрация капель, а также графики изменения равновесной температуры стенки. На рисунке приведены картины распределения температуры несущей фазы в пограничном слое для чистого газа и газа с примесью капель.  Во втором случае наблюдается охлаждение газа вблизи стенки по сравнению со случаем чистого газа.

1. Marble F.E. Dynamics of dusty gases // Annu. Rev. Fluid Mech. 1970. V. 2. P. 397-446.

2. Osiptsov A.N. Mathematical modeling of dusty-gas boundary layers // Appl. Mech. Rev. 1997. V. 50. P. 357-370.