Дослідження процесу розпилення рідини за допомогою CFD-технологій

Abstract

У газорідинних системах інтенсифікація процесів обміну маси або енергії можлива при створенні значної площі поверхні контакту фаз і швидкому її оновленні шляхом розпилення рідини гідравлічними форсунками. При встановленні їх в обладнання потрібно знати характеристики факела розпилення, що дає змогу забезпечити найбільш ефективну роботу. Такі дані отримують при експериментальному дослідженні форсунок, однак при зміні розмірів, їх співвідношень потрібні додаткові дослідження, які вимагають наявності експериментальних стендів, відповідного обладнання, є дорогими та потребують значного часу на їх проведення й обробку результатів.Найпотужнішою програмою для дослідження гідродинаміки потоків є система ANSYS з CFD модулями, завдяки якій можна дослідити структуру потоків у камері змішування форсунки, на виході з її сопла, передбачити явище розпилення та руйнування струменя рідини. Основним критерієм отримання достовірних результатів моделювання є коректне налаштування всіх розрахункових модулів програмного забезпечення. У статті визначено характеристики факела розпилення потоку у форсунці з використання CFD-технологій як прогресивного, високоефективного та економічно доцільного методу досліджень. Розроблено алгоритм проведення числового моделювання гідродинаміки потоку рідини у форсунці та на виході з її сопла, що складається із шести етапів. Отримані CFD-моделюванням числові значення розподілення швидкості та об’ємної частки рідини для факела розпилення корелюють з відомими експериментальними даними. Встановлено, що всередині факела створюється розрідження порядку 165 Па, причому воно максимальне у прикореневій зоні, знижується до периферії і при віддаленні від сопла. Зона пониженого тиску пояснює ежектування газової фази ззовні всередину факела розпилення.In gas-liquid systems, the intensification of mass or energy exchange processes is possible by creating a significant area of the contact surface of the phases and uickly updating it by spraying the liquid with hydraulic nozzles. When installing them in equipment, it is ecessary to know the characteristics of the spray jet in order to ensure the most efficient operation. Such data are obtained during the experimental study of injectors. However, when changing the sizes, their ratios, additional studies are required, which require the availability of experimental stands, appropriate equipment, which are expensive and require considerable time for their implementation and processing of the results. The most powerful program for the study of fluid dynamics of flows is the ANSYS system with CFD-modules. It is possible to investigate the structure of flows in the mixing chamber of the nozzle, at the outlet of nozzle, to foresee the phenomenon of spraying and destruction of the liquid jet. The main criterion for obtaining reliable simulation results is the correct setting of all calculation software modules. The aim of the work is to determine the characteristics of the spray jet in the nozzle using CFD technologies as a progressive, highly efficient and economically viable research method. An algorithm for numerical simulation of the hydrodynamics of the fluid flow in the nozzle and the exit from its nozzle was developed. It consists of six stages. Numerical values of velocity and volume fraction of liquid for the spray torch, obtained by CFD modeling, correlate with known experimental data. It is established that a zone of the lowpressure of about 165 Pa is created inside the torch of the sprayed liquid (maximum in the root zone, decreases to the periphery and at a distance from the nozzle). The low-pressure zone explains the ejection of the gas phase from the outside into the middle of the spray torch.