Численное моделирование процесса псевдоожижения в ANSYS Fluent

АННОТАЦИЯ

В данной работе описана постановка численной задачи, отражающей процесс псевдоожижения в камере утилизационной установки с помощью системы ANSYS Fluent, показаны основные результаты расчета, проведен анализ эффективности данной камеры.

ABSTRACT

This paper describes the formulation of a numerical analysis that reflects the process of fluidization in the chamber of the utilization system using the ANSYS Fluent system, shows the main results of the calculation, analyzes the efficiency of this chamber.

Ключевые слова: ANSYS, псевдоожижение, численный анализ, утилизация.

Keywords: ANSYS, fluidization, numerical analysis, utilization.

На текущий момент устаревшие, а также исчерпавшие свой срок хранения, РДТТ (ракетные двигатели на твердом топливе) подлежат утилизации, одним из приоритетных видов которой видится бессопловое сжигание двигателей [1]. Подобный процесс сопровождается активным выделением вредных для окружающей среды продуктов сгорания. В связи с этим необходимо обеспечить должную фильтрацию, однако, продукты сгорания имеют температуру порядка 2500-3000 градусов по шкале Кельвина, что недопустимо для существующих фильтрационных систем, имеющих температурный предел в 900 градусов по шкале Кельвина, поэтому было предложено применить в составе утилизационного стенда камеру с псевдоожиженным слоем песка, предназначенным для охлаждения продуктов сгорания от сжигания РДТТ.

Псевдоожижением называется такое явление, при котором твердое сыпучее вещество при подаче снизу воздуха или жидкости начинает обладать некоторыми физическими свойствами жидкости – менее плотные частицы и объекты всплывают, более плотные тонут, поверхность твердой фазы перпендикулярна направлению силы тяжести. Также, при увеличении интенсивности подачи воздуха или жидкости твердая сыпучая фаза подвергается активному бурлению, как показано на рис. 1, из-за чего псевдоожиженный слой также иногда называют кипящим.

Рисунок 1. Бурление псевдоожиженного слоя

Для оценки эффективности подобного стенда в газодинамическом модуле FLUENT пакета ANSYS была поставлена численная задача псевдоожиженного течения в камере охлаждения продуктов сгорания. Схема расчётной модели показана на рис. 2. Размеры камеры составили 4х4х6 м, высота слоя песка в покое составляет 1 м, диаметр частицы песка в связи с особенностью применённой расчётной модели двухфазного течения постоянен во всем объеме и составляет 0,5 мм. Температура продуктов сгорания на входе составляет 2500 К, массовый расход – 15 кг/с, а на дне камеры – газораспределительной решетке задается поток воздуха, который подбирался в ходе решения, чтобы обеспечить необходимый подъем сыпучей фазы, но при этом минимизировать затягивание песка в выходные каналы расчетной области.

Рисунок 2. Схема расчетной области камеры с псевдоожиженным слоем

Расчетная сетка была воспроизведена во встроенном в среду ANSYS сеточном генераторе Meshing стандартным методом. Сетка неструктурированная, имела 932622 ячейки размером до 5 см и минимальное ортогональное качество, равное 0,19618.

Для расчета была применена эйлерова модель многофазного течения, описывающая фазы как взаимопроникающие континуумы, что в случае с задачей псевдоожижения является наиболее рациональным решением, модель турбулентности в соответствии с [2] была выбрана k-epsilon. Задача решалась в нестационарной постановке – было просчитано порядка 20 секунд процесса с шагом в 0,1 секунды. На просчет одного шага было установлено 10 итераций. В ходе расчета был выставлен мониторинг температуры на выходе из расчетной области. Он показан на рис. 3.

Рисунок 3. Максимальная температура смеси газов на выходе из камеры в ходе расчета

Данный график уже в ходе решения показал высокую эффективность камеры с псевдоожиженным слоем, т.к. температура на выходе не превысила 306 К при пороге в 900 К. Пик температуры пришелся на момент времени 7 секунд с начала процесса, т.к. в этот момент через выход проходило скопление газов, которое в начале расчета скапливалось в виде пузыря, который в итоге отразился в виде большого всплеска на поверхности песка. В дальнейшем резких скачков температуры не наблюдалось. Распределение температуры на выходах из камеры в момент пиковой температуры показано на рис. 4.

Рисунок 4. Температура смеси газов на выходе из камеры через 7 секунд после старта

Режим «кипения» псевдоожиженного слоя установился примерно через 10 секунд после старта, и визуализация процесса псевдоожижения в осевом сечении камеры, а также в изометрии представлена на рис. 5.

Рисунок 5. Псевдоожижение в расчётной области

Здесь отчетливо виден и «кипящий» характер твердой фазы, и отсутствие уноса ее из расчетной области.

Данная модель показывает высокую эффективность такой камеры в теории, температура на выходе почти в 3 раза ниже предельной, температура стенок не превышает 303 К, однако, данный расчет в дальнейшем необходимо подтвердить натурным экспериментом, в результате которого модель можно будет либо подтвердить, либо скорректировать.

Список литературы:
1. Бурдюгов С.И., Корепанов М.А., Кузнецов Н.П. и др. Под общей редакцией Кузнецова Н.П. Утилизация твердотопливных ракетных двигателей (РДТТ) // Москва-Ижевск: Институт компьютерных исследований, НИЦ "Регулярная и хаотическая динамика". 2008. 512 с.
2. Волков К.Н., Емельянов В.Н. Газовые течения с массоподводом в каналах и трактах энергоустановок. М.: Физматлит. 2011. 464 с.