Об особенностях моделирования распада струи жидкости на капли в потоке газа

Решается задача первичного распада струи жидкости в потоке газа и последующего ее полного распыла в двухфазном приближении. Несущая фаза – газ, дисперсная – жидкость и ее капли, образующиеся в результате распада. Для решения используется VOF-модель (Volume of Fluid), основанная на эйлерово-эйлеровом подходе, реализованная с помощью ПК ANSYS [1]. В VOF-модели перенос каждой из фаз описывается их объемными долями – непрерывными функциями от времени и пространственных переменных. В уравнении сохранения импульса смеси воздействие жидкости и газа на смесь описывается силой поверхностного натяжения, определяемой как функция кривизны и нормального вектора к границе между жидкостью и газом. VOF-модель описывает первичный распад струи жидкости. Модели смеси (Mixture) и эйлерова (Eulerian) из той же эйлерово-эйлеровой группы моделей ПК ANSYS также способны описывать первичный распад струи жидкости, но для их замыкания нужно значение среднего диаметра капель жидкой фазы (характерный размер частиц дисперсной фазы). Для описания первичного распада струи жидкости невозможно использовать эйлерово-эйлеров подход, основанный на конвективно-диффузионных уравнениях для концентрации, массы и импульса частиц (ЭЭКД) [2; 3]. Однако ЭЭКД с меньшими, чем VOF-модель, вычислительными затратами описывает распыл, стартуя от области полного распыла. Область полного распыла жидкости требуется для старта эйлерово-лагранжева подхода [4], в котором дисперсная фаза описывается путем отслеживания траекторий капель по всей расчетной области. Траектории капель вычисляются на поле течения несущей фазы, полученном из уравнений Навье – Стокса. Таким образом, полный распыл нужен для моделей с коэффициентами, зависящими от характерного размера частиц дисперсной фазы. В двухшаговых методах на первом шаге полный распыл находится по модели, описывающей первичный распад. На втором – экономичная модель стартует от полного распыла. В статье для нахождения полного распыла струи жидкости используется VOF-модель, дающая распределение объемной доли дисперсной фазы. Для ее интерпретации в терминах капель предлагается метод, верифицированный и валидированный на задачах распада жидкой пленки [5; 6] и распыла керосина в смесительном канале газовых турбин [7].

1. Ansys, Inc. Ansys Fluent (Version 2023). Canonsburg, PA: Ansys, Inc., 2023.

2. Аксенов А. А., Жлуктов С. В., Каширин В. С., Сазонова М. Л., Черный С. Г., Дроздова Е. А., Роде А. А. Численное моделирование в ПК FlowVision распыла и испарения сырья в потоке газа-теплоносителя при печном производстве технического углерода // Компьютерные исследования и моделирование, 2023. Т. 15. № 4. С. 921–939. DOI: 10.20537/2076-7633-2023-15-4-921-939

3. Aksenov A., Zhluktov S., Kashirin V., Sazonova M., Cherny S., Zeziulin I., Drozdova E., Rode A. Numerical modeling of raw materials atomization and vaporization in a heat carrier gas flow in technical carbon production based on the Euler approach. E3S Web of Conferences, 2023, XXXIX Siberian Thermophysical Seminar 459, vol. 04019, p. 7. DOI: 10.1051/e3sconf/202345904019.

4. Zhu S., Roekaerts D., Pozarlik A., Van Der Meer T. Eulerian–Lagrangian RANS Model Simulations of the NIST Turbulent Methanol Spray Flame // Combustion Science and Technology. 2015. Vol. 187, no. 7. P. 1110–1138. DOI: 10.1080/00102202.2015.1019616

5. Chen X., Ma D., Yang V., Popinet S. High-fidelity simulations of impinging jet atomization. Atomization Spray, 2013. Vol. 23, no. 12. P. 1079–1101.

6. Yasuda N., Yamamura K., Mori Y. H. Impingement of liquid jets at atmospheric and elevated pressures: an observational study using paired water jets or water and methylcyclohexane jets // Proc. R. Soc. A. 2010. Vol. 466. P. 3501–3526. DOI: 10.1098/rspa.2010.0144

7. Brandt M., Rachner M., Schmitz G. An Experimental and Numerical Study of Kerosine Spray Evaporation in a Premix Duct for Gas Turbine Combustors at High Pressure // Combustion Science and Technology. 1998. Vol. 138, no. 1–6. P. 313–348. DOI: 10.1080/00102209808952074

8. Brackbill J. U., Kothe D. B., Zemach C. A continuum method for modeling surface tension // J. Comput. Phys. 1992. Vol. 100, no. 2. P. 335–354. DOI: 10.1016/0021-9991(92)90240-Y

9. Vachaparambil K. J., Einarsrud K. E. Comparison of Surface Tension Models for the Volume of Fluid Method // Processes. 2019. Vol. 7, no. 8. P. 542. DOI: 10.3390/pr7080542

10. Schiller L., Naumann Z. Ver. Deutsch. Ing., 1935. Vol. 77. P. 318.

11. Ranz W. E., Marshall W. R. Jr. Vaporation from Drops, Part I // Chem. Eng. Prog. 1952. Vol. 48, no. 3. P. 141–146.

12. Ranz W. E., Marshall W. R. Jr. Vaporation from Drops, Part I and Part II // Chem. Eng. Prog. 1952. Vol. 48, no. 4. P. 173–180.

13. German R. M. Powder Injection Moulding. MPIF, Princeton, New Jersey, 1990.

14. Schmidt D. P., Corradini M. L., Rutland C. J. A two-dimensional, non-equilibrium model of flashing nozzle flow. In Proceedings of the 3rd ASME/JSME Joint Fluids Engineering Conference, 1999, San Francisco, July 18–23; ASME, New York.

15. Сами М., Шютце Й., Хатчинсон П., Озаркар С. Эффективное моделирование первичного распыление жидкости с помощью эйлерово-лагранжев гибрид модель в ANSYS Fluent. 2019.

16. Сипатов А. М., Карабасов С. А., Гомзиков Л. Ю., Абрамчук Т. В., Семаков Г. Н. Моделирование процесса распыла с использованием адаптивных сеточных моделей // Вычислительная механика сплошных сред. 2015. Т. 8, № 1. С. 93–101. DOI: 10.7242/1999-6691/2015.8.1.8

17. Sun Y., Li Y., Drebler L., Nishad K., Sadiki A. Multiscale numerical modeling of a complete spray evolution including breakup of liquid jet injection in gaseous cross flow // International Journal of Multiphase Flow. 2024. Vol. 170. P. 104655. DOI: 10.1016/j.ijmultiphaseflow.2023.104655

18. Spitzenberger A., Neumann S., Heinrich M., Schwarze R. Particle detection in VOF simulations with OpenFOAM // SoftwareX. 2020. Vol. 11. P. 100382.

19. Wu P. K., Kirkendall K. A., Fuller R. P., Nejad A. S. Spray structures of liquid jets atomized in subsonic crossflows // J. Propul. Power. 1998. Vol. 14, no. 2. P. 173–182. DOI: 10.2514/2.5283

20. Cherny S. G., Zeziulin I. V., Tarraf D., Pochuev A. P., Boronenko I. S. The direct and inverse problems of modeling the carbon black furnace production process // Eurasian Journal of Mathematical and Computer Applications, 2025.