Моделирование методом VOF процессов при пленочной конденсации движущегося пара на поверхности горизонтальных трубных пучков различной компоновки» (2022-2023 год)

В ходе выполнения гранта РНФ № 22-29-01457 «Моделирование методом VOF процессов при пленочной конденсации движущегося пара на поверхности горизонтальных трубных пучков различной компоновки» были предложены походы к моделированию и систематически изучена конденсация насыщенных паров воды, пентана, пропана, R-113, R-21 на одиночных трубках и трубках, собранных в трубный пучок. Основные результаты были представлены в публикациях и отчетах по проекту (https://www.rscf.ru/project/22-29-01457/), и на ведущих конференциях.
Для использования наработок проекта специалистами по тепло- и массообмену в дистрибутив кода ANES добавлены примеры:
– конденсация пентана (постановка из работы [1]);
– конденсация R-113 (постановка из работы [2]);
– трехмерная конденсация пропана;
– конденсация водяного пара при 10 кПа и скорости 60 м/с в сопряженной со стенкой постановке.
Представим наиболее интересные результаты, полученные в ходе выполнения проекта.
Выполнена валидация реализованной в авторском коде ANES модифицированной модели массообмена Lee для расчета методом VOF процессов конденсации неподвижного и движущегося пара на поверхности горизонтальной трубы. Полученные в двумерной постановке данные по теплоотдаче при конденсации практически неподвижных паров пентана и воды хорошо согласуются с теорией Нуссельта (рисунок 1).
 

Рисунок 1 – Зависимости среднего коэффициента теплоотдачи от недогрева стенки для пентана (а) и воды (б) при скорости равной 0.1 м/с. Точки – результаты моделирования, линия – зависимость Нуссельта (± 5%). Иллюстрация взята из работы [1]

Для умеренных скоростей движения паров пентана и воды (до 3.0 м/с) результаты по средней теплоотдаче с погрешностью, не превышающей 10%, согласуются с известными зависимостями. Картина формирования и отрыва капли представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Поле скорости и динамика формирования срывающихся капель конденсата пентана при недогреве стенки 20 К и скорости 3 м/с. Иллюстрация взята из работы [1]

Выполнено моделирование конденсации пентана в трехмерной постановке (рисунок 3).

Рисунок 3 – Вид первой капли сразу после отрыва с пленки для трехмерного и двумерного вариантов. Моменты времени на кадрах I и II разделяет 12.5 мс. Иллюстрация взята из работы [1]

Результаты расчета процесса конденсации хладона R113 из нисходящего потока на одиночном горизонтальном цилиндре методом VOF хорошо согласуются с существующими экспериментальными данными [2], отличающимися заметным отклонением от существующих теоретических зависимостей при высоких скоростях потока (рисунок 4).
 

1 – решение Нуссельта, 2 – формула Роса, 3 –экспериментальные данные [2] при G от 0.7 до 3.1, 4 – VOF-KW, 5 – VOF-SST, 6 – VOF-LAM
Рисунок 4 – Зависимость безразмерной теплоотдачи от параметра безразмерного комплекса F.  Конденсация R113 при 320.74 K и недогреве стенки 20 К. Иллюстрация взята из работы [3]

Анализ результатов моделирования показал, что причиной аномальной по сравнению с теоретическими зависимостями интенсификации теплообмена является захлебывание пленки конденсата на подветренной стороне цилиндра, связанное со взаимодействием последней с крупномасштабными вихревыми структурами в следе за цилиндром. Предложена критериальная зависимость для оценки значения скорости, соответствующей нижней границе “аномальной” теплоотдачи.
Выполнено трехмерное моделирование конденсации неподвижных паров пропана при наличии и отсутствии орошения. Ниже представлено видео, показывающее характерные результаты, полученные в трехмерной постановке с использованием кода ANES для указанных вариантов.

Разработанные и реализованные в коде ANES модели были внедрены в другие CFD-коды. С их помощью было выполнено моделирование процессов конденсации внутри трубного пучка, экспериментально изученного в Институте Теплофизики СО РАН (Рисунок 5-6).

Рисунок 5 – Динамика отрыва капель в различные моменты времени при конденсации R-21 при 333.15 К, температура стенки 303.15 К, скорость 0.3 м/с. Иллюстрация взята из рукописи статьи, представленной в журнал Теплоэнергетика
 
Рисунок 6 – Зависимость коэффициента теплоотдачи для труб 1-17 (номер линии на рисунке соответствует номеру трубы). Конденсация R-21 при 21 при 333.15 К, температура стенки303.15 К, скорость 0.3 м/с. Иллюстрация взята из рукописи статьи, представленной в журнал Теплоэнергетика

Список используемых источников

[1] Минко К.Б., Артемов В.И., Клементьев А.А. Моделирование методом VOF процессов конденсации неподвижного и движущегося насыщенного пара на поверхности горизонтальной трубы Теплоэнергетика. 2023 г. №3. C. 20-39.
[2] Lee W.C., Rahbar S., Rose J.W. Film Condensation of Refrigerant-113 and Ethanediol on a Horizontal Tube—Effect of Vapor Velocity // Journal of Heat Transfer. 1984. Vol. 106, № 3. P. 524–530.
[3] Минко К.Б., Артемов В.И., Клементьев А.А., Андреев С.Н. Моделирование процессов конденсации насыщенного пара из нисходящего потока на поверхности горизонтальной трубы методом VOF// Теплоэнергетика. 2023 г. №12.