УДК 536.24 + 532.5
Т 35
Рецензенты:
д-р физ.-мат. наук О. Н. Кашинский
д-р техн. наук, профессор В. Н. Ярыгин
д-р техн. наук, профессор Ю. В. Овчинников
Терехов В. И.
Т 35
Тепломассоперенос и гидродинамика в газокапельных потоках : монография
/ В. И. Терехов, М. А. Пахомов. – Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2022. –
252 с. – (Монографии НГТУ).
ISBN 978-5-7782-4806-9
Рассмотрены вопросы численного моделирования гидродинамики и тепломассопереноса
в двухфазных газокапельных потоках при обтекании плоской пластины, течения
в трубе, в пристенной и затопленной струях. Для всех рассматриваемых случаев проведены
детальные численные расчеты и определен вклад испарительных процессов в интенсификацию
теплообмена. Дается сопоставительный анализ с известными в литературе
опытными и расчетными данными по тепломассообмену в газокапельных потоках.
Эти данные также могут быть использованы для анализа интенсификации тепломассопереноса
в теплообменных аппаратах различного назначения, работающие как в ламинарном,
так и турбулентном режимах течения.
Разработанные модели и полученные результаты будут весьма полезны в инженерных
приложениях при разработке новых методов регулирования теплообмена и сопротивления
в проточных трактах энергетических установок.
Адресована научным работникам, занимающимся исследованиями газодинамики
и тепломассопереноса в многофазных потоках, а также преподавателям, аспирантам
и студентам высших учебных заведений.
УДК 536.24 + 532.5
ISBN 978-5-7782-4806-9
© Терехов В. И., Пахомов М. А., 2008, 2009, 2022
© Новосибирский государственный
технический университет, 2008, 2009, 2022
Стр.4
УДК 536.24 + 532.5
T 35
Reviewers:
Prof. O. N. Kashinsky
Prof. V. N. Yarygin
Prof. Yu. V. Ovchinnikov
Terekhov V. I.
T 35 Flow dynamics and heat and mass transfer in a gas-droplets flows : monograph /
V.I. Terekhov, M.A. Pakhomov. – Novosibirsk : NSTU Publisher, 2022. – 252 pp.
(NSTU Monographs).
ISBN 978-5-7782-4806-9
The monograph has to do with the issues of numerical modeling of hydrodynamics and
heat and mass transfer in two-phase gas-drop flows at flat plate flow, flow in the pipe, in wall
and submerged jet. For all considered cases detailed numerical calculations have been made
and contribution of evaporation processes into heat transfer intensification has been determined.
Comparative analysis with experimental and computational data on heat and mass
transfer in gas-droplets flows presented in the publications is carried out. These results can be
also used for the analysis of intensification of heat and mass transfer in various heat exchangers
operating both in laminar and turbulent flow modes.
Developed models and obtained data will be extremely useful for engineering applications
at the development of new methods of heat transfer regulation and resistance in flowing channels
of power plants.
For research workers studying gas dynamics and heat and mass transfer in multiphase
flows, lecturers, post-graduates and university students.
УДК 536.24 + 532.5
ISBN 978-5-7782-4806-9
© Terekhov V. I., Pakhomov M. A., 2008, 2009, 2022
© Novosibirsk State Technical University, 2008, 2009, 2022
Стр.6
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение ............................................................................................................................................... 7
Библиографический список к введению ...................................................................................... 9
Глава 1. Краткие сведения о двухфазных ламинарных и турбулентных потоках .............. 11
1.1. Примеры двухфазных течений ............................................................................................. 11
1.2. Основные параметры двухфазных потоков ........................................................................ 13
1.3. Классификация двухфазных течений .................................................................................. 17
1.4. Методы математического моделирования двухфазных течений ...................................... 18
1.5. Лагранжев подход при моделировании движения и теплообмена частицы .................... 19
1.6. Эйлеров (двухжидкостный) подход для описания движения и теплопереноса
частицы ................................................................................................................................... 36
1.7. Тепломассообмен частицы с окружающим потоком газа ................................................. 39
1.8. Методы прямого численного моделирования для двухфазных
течений ................................................................................................................................... 44
Библиографический список к главе 1 ......................................................................................... 45
Глава 2. Моделирование тепломассопереноса и гидродинамики в ламинарных
газокапельных течениях ................................................................................................. 51
2.1. Особенности тепломассообмена в ламинарных двухфазных потоках при наличии
испарения капель ................................................................................................................... 51
2.2. Физическая модель задачи .................................................................................................... 55
2.3. Основные уравнения ............................................................................................................. 57
2.4. Вычислительные процедуры ................................................................................................ 60
2.5. Тестирование расчетной модели .......................................................................................... 61
2.6. Численное исследование тепломассообмена при ламинарном течении
газокапельной системы в трубе ............................................................................................ 63
2.7. Сопоставление с экспериментальными данными ............................................................... 69
2.8. Численное исследование теплообмена при ламинарном обтекании
газопарокапельным потоком плоской изотермической пластины .................................... 71
Библиографический список к главе 2 ......................................................................................... 85
Глава 3. Тепломассообмен и гидродинамика при течении турбулентного
газокапельного потока в трубе ...................................................................................... 87
3.1. Основные параметры, влияющие на тепломассоперенос в двухфазных потоках
с фазовыми переходами ........................................................................................................ 87
3.2. Исследование динамики дисперсной фазы ......................................................................... 90
3.3. Физическая модель ................................................................................................................ 92
Стр.248
249
3.4. Основные уравнения математической модели для газовой фазы ..................................... 93
3.5. Модели турбулентности ....................................................................................................... 95
3.6. Система уравнений переноса дисперсной фазы ................................................................. 99
3.7. Граничные и входные условия ........................................................................................... 101
3.8. Вычислительные процедуры .............................................................................................. 103
3.9. Тестирование численной модели для турбулентных одно- и двухфазных течений ..... 108
3.10. Численное моделирование теплообмена в турбулентном газокапельном потоке
в трубе и анализ результатов расчетов ............................................................................ 118
3.11. Сопоставление с экспериментальными данными для газокапельного
турбулентного потока ....................................................................................................... 136
Библиографический список к главе 3 ....................................................................................... 138
Глава 4. Исследование турбулентных газокапельных пристенных струй ......................... 143
4.1. Эффективность одно- и двухфазных пристенных струй ................................................. 143
4.2. Исследование газокапельной пристенной завесы над адиабатической
поверхностью стенки трубы ............................................................................................... 147
4.3. Численное моделирование двухфазной завесы при наличии теплообмена
со стенкой трубы ................................................................................................................. 166
Библиографический список к главе 4 ....................................................................................... 182
Глава 5. Численное моделирование газокапельных струй .................................................... 185
5.1. Введение ............................................................................................................................... 185
5.2. Современное состояние исследований двухфазных струй .............................................. 186
5.3. Постановка задачи и основные уравнения газовой фазы ................................................ 191
5.4. Метод численной реализации и тестирование модели .................................................... 196
5.5. Сопоставление с экспериментальными данными для однофазной струи ...................... 201
5.6. Результаты численных расчетов газодисперсной турбулентной струи
и их обсуждение ................................................................................................................... 203
5.7. Сопоставительный анализ с данными для газодисперсной струи .................................. 209
5.8. Газокапельная струя при наличии фазовых переходов .................................................... 220
5.9. Сопоставительный анализ для газокапельной струи ....................................................... 235
Библиографический список к главе 5 ....................................................................................... 242
Стр.249
CONTENTS
Introduction ............................................................................................................................................ 7
References for Introduction .............................................................................................................. 9
Chapter 1. Short information about two-phase laminar and turbulent flows .............................. 11
1.1. Examples of two-phase flows .................................................................................................. 11
1.2. Main parameters of two-phase flows ....................................................................................... 13
1.3. Classification of two-phase flows ............................................................................................ 17
1.4. Methods of mathematical modeling of two-phase flows ......................................................... 18
1.5. Lagrangian description for modeling of particle fluid dynamics and heat transfer ................. 19
1.6. Eulerian (two-fluid) description for behavior of particle fluid dynamics and heat transfer ..... 36
1.7. Heat and mass transfer of single particle with ambient gas stream ......................................... 39
1.8. Methods of DNS and LES for two-phase flows ...................................................................... 44
References for Chapter 1 ................................................................................................................ 45
Chapter 2. Modeling of flow dynamics and heat and mass transfer in laminar gas-droplets
flows ................................................................................................................................. 51
2.1. Peculiarities of the heat and mass transfer in laminar gas-droplets flows ............................... 51
2.2. Physical model ....................................................................................................................... 55
2.3. Governing equations ................................................................................................................ 57
2.4. Numerical realization .............................................................................................................. 60
2.5. Testing of the numerical model ............................................................................................... 61
2.6. Numerical study of heat and mass transfer in laminar gas-droplets flow
in a tube ................................................................................................................................... 63
2.7. Comparison of experimental data for tube flow with numerical results .................................. 69
2.8. Numerical investigation of heat transfer in the laminar gas/vapor/droplets stream over
an isothermal flat plate ............................................................................................................. 71
References for Chapter 2 ................................................................................................................ 85
Chapter 3. Flow dynamics and heat and mass transfer in a turbulent gas-droplets flow
in a tube............................................................................................................................ 87
3.1. Main characteristics effected on the heat and mass transfer in a two-phase flows
with phase changes .................................................................................................................. 87
3.2. Modeling of dynamics of the dispersed phase ......................................................................... 90
3.3. Physical model ....................................................................................................................... 92
3.4. Governing equations for the gas phase .................................................................................... 93
3.5. Two-equations turbulence models ........................................................................................... 95
Стр.250
251
3.6. Governing equations for the dispersed phase .......................................................................... 99
3.7. Boundary conditions ............................................................................................................. 101
3.8. Numerical procedures ............................................................................................................ 103
3.9. Testing of the numerical model for turbulent one-phase and two-phase flows ..................... 108
3.10. Predictions of heat transfer in the turbulent gas-droplets tube flow and analysis
of numerical results ............................................................................................................. 118
3.11. Comparison with experimental data for gas-droplets turbulent flow in the tube ................. 136
References for Chapter 3 .............................................................................................................. 138
Chapter 4. The study turbulent gas-droplets wall jets .................................................................. 143
4.1. An effectiveness of one-phase and two-phase wall jets......................................................... 143
4.2. The study of gas-droplets wall screen over adiabatic wall surface in a tube ......................... 147
4.3. Numerical modeling of two-phase jet with heat transfer between wall surface
and gas-droplets stream ......................................................................................................... 166
References for Chapter 4 .............................................................................................................. 182
Chapter 5. The study turbulent gas-droplets wall jets .................................................................. 185
5.1. Introduction ........................................................................................................................... 185
5.2. Review of two-phase jets ....................................................................................................... 186
5.3. Problem statement ................................................................................................................. 191
5.4. Numerical realization and model testing jet .......................................................................... 196
5.5. Comparison with measurements results for one-phase turbulent jet ..................................... 201
5.6. Predictions of gas-dispersed turbulent jet and its discussions ............................................... 203
5.7. Comparative analysis with the experiments for gas-dispersed jet ......................................... 209
5.8. Investigation of gas-droplets jet with phase changes ............................................................. 220
5.9. Comparison with measurements for the gas-droplets turbulent jet ........................................ 235
References for Chapter 5 .............................................................................................................. 242
Стр.251