Нестационарное истечение газа при высоком давлении в заполненный жидкостью замкнутый объем

Об авторах:

Алексеев Максим Валерьевич, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН (г. Новосибирск); alekseev@itp.nsc.ru

Вожаков Иван Сергеевич, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН (г. Новосибирск); vozhakov@gmail.com

Лежнин Сергей Иванович, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник, Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН (г. Новосибирск); lezhnin@itp.nsc.ru

Аннотация:

В рамках 2D (двухмерной, осесимметричной) и 3D (трехмерной) постановок задачи проведено численное моделирование процесса истечения газа, находящегося под давлением, в частично заполненную жидкостью закрытую емкость. Численные расчеты выполнены с помощью открытой платформы OpenFOAM. При этом применялся решатель, основанный на методе объемов жидкости (VOF-метод) со стандартной k-e моделью турбулентности. Проведено сравнение с одномерной (1D) асимптотической моделью, в которой колебания жидкости, как целого, определяются балансом энтальпии.

Проведено численное исследование эволюции давления при истечении газа. Показано, что физические свойства используемой жидкости влияют на амплитуду и частоту пульсаций. Моделирование показало, что в воду газ истекает в виде струи, а в жидком свинце формируется снаряд вблизи отверстия, через которое истекает газ. Продемонстрировано существенное влияние трехмерных эффектов на эволюцию истечения газа в жидкость. Получено удовлетворительное согласие как двухмерного, так и трехмерного расчетов и результатов, полученных с использованием асимптотической модели. Для системы «газ — вода» результаты расчета по асимптотической модели дают существенное отличие от результатов численного расчета.

Список литературы:

1. Алексеев М. В. Влияние межфазного трения на характеристики истечения двухфазной смеси в среду с высокой плотностью / М. В. Алексеев, И. С. Вожако, С. И. Лежнин, Н. А. Прибатурин // Вестник Тюменского государственного университета. Физико-математическое моделирование. Нефть, газ, энергетика. 2016. Том 2. № 3. C. 49-62.

2. Алексеев М. В. Нестационарные характеристики процесса истечения газа в жидкость / М. В. Алексеев, И. С. Вожаков, С. И. Лежнин // Многофазные системы. 2019. Том 14. № 2. С. 82-88.

3. Алексеев М. В. Пульсации давления при инжекции газа в заполненный жидкостью закрытый объем при больших перепадах давления / М. В. Алексеев, И. С. Вожаков, С. И. Лежнин // Теплофизика и аэромеханика. 2019. Том 26. № 5. С. 833-836.

4. Болотнова Р. Х. Исследование динамики формирования полой струи при истечении пара из сверхкритического состояния / Р. Х. Болотнова // Многофазные системы. 2018. Tом 13. № 4. C. 73-78.

5. Болотнова Р. Х. Особенности формирования полой струи водяного пара сверхкритических параметров состояния, истекающего через тонкое сопло / Р. Х. Болотнова, Э. Ф. Гайнуллина // Теплофизика и аэромеханика. 2018. Том 25. № 5. С. 783-789.

6. Вожаков И. С. Моделирование истечения газа в среду с высокой плотностью / И. С. Вожаков, С. И. Лежнин, М. В. Алексеев, А. Р. Богомолов, Н. А. Прибатурин // Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2016. № 5. C. 86-92.

7. Нигматулин Р. И. Динамика многофазных сред / Р. И. Нигматулин. Москва: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1987. Т. 1. 464 c.

8. Седов Л. И. Механика сплошной среды / Л. И. Седов. М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1970. Т. 2. 568 с.

9. Alekseev M. V. Numerical simulation of pulsed gas-to-liquid injection models using open source CFD software package OpenFoam / M. V. Alekseev, I. S. Vozhakov, P. D. Lobanov, A. I. Svetonosov, V. K. Mohan, S. I. Lezhnin, N. A. Pribaturin // Journal of Physics: Conference Series. 2018. Vol. 1105. № 1. Art. 012085. DOI: 10.1088/1742-6596/1105/1/012085

10. Boris J. P. LCPFCT — flux-corrected transport algorithm for solving generalized continuity equations / J. P. Boris, A. M. Landsberg, E. S. Oran, J. H. Garder. Washington DC: U. S. Naval Research Lab, 1993. NRL/MR/6410-93-7192

11. Brackbill J. U. A continuum method for modeling surface tension / J. U. Brackbill, D. B. Kothe, C. Zemach // Journal of Computational Physics. 1992, vol. 100, pp. 335-354.

12. Lezhnin S. I. Recommendations on adopting the values and correlations for calculating the thermophysical and kinetic properties of liquid lead / S. I. Lezhnin, N. A. Mosunova, I. V. Savchenko // Thermal Engineering. 2015, vol. 62, no 6, pp. 434-437.

13. Lezhnin S. I. Simulating gas (vapor) outflow into a liquid / S. I. Lezhnin, M. V. Alekseev, I. S. Vozhakov, N. A. Pribaturin // Journal of Physics: Conference Series. 2018, vol. 1105, no 1, art. 012081. DOI: 10.1088/1742-6596/1105/1/012081

14. The OpenFOAM Foundation. Open Source Computational Fluid Dynamics (CFD) Toolbox. 2020.