Об особенностях моделирования распада струи жидкости на капли в потоке газа

Чёрный Сергей Григорьевич
1. Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН
2. Новосибирский государственный университет
sgcherny2023@yandex.ru
Тарраф Даниэль
1. Новосибирский государственный университет
d.tarraf@g.nsu.ru
Материал поступил в редколлегию 22.02.2025
Решается задача первичного распада струи жидкости в потоке газа и последующего ее полного распыла в двух-
фазном приближении. Несущая фаза – газ, дисперсная – жидкость и ее капли, образующиеся в результате рас-
пада. Для решения используется VOF-модель (Volume of Fluid), основанная на эйлерово-эйлеровом подходе,
реализованная с помощью ПК ANSYS [1]. В VOF-модели перенос каждой из фаз описывается их объемными
долями – непрерывными функциями от времени и пространственных переменных. В уравнении сохранения им-
пульса смеси воздействие жидкости и газа на смесь описывается силой поверхностного натяжения, определяе-
мой как функция кривизны и нормального вектора к границе между жидкостью и газом. VOF-модель описывает
первичный распад струи жидкости. Модели смеси (Mixture) и эйлерова (Eulerian) из той же эйлерово-эйлеровой
группы моделей ПК ANSYS также способны описывать первичный распад струи жидкости, но для их замыка-
ния нужно значение среднего диаметра капель жидкой фазы (характерный размер частиц дисперсной фазы). Для
описания первичного распада струи жидкости невозможно использовать эйлерово-эйлеров подход, основанный
на конвективно-диффузионных уравнениях для концентрации, массы и импульса частиц (ЭЭКД) [2; 3]. Однако
ЭЭКД с меньшими, чем VOF-модель, вычислительными затратами описывает распыл, стартуя от области пол-
ного распыла. Область полного распыла жидкости требуется для старта эйлерово-лагранжева подхода [4], в ко-
тором дисперсная фаза описывается путем отслеживания траекторий капель по всей расчетной области. Тра-
ектории капель вычисляются на поле течения несущей фазы, полученном из уравнений Навье – Стокса. Таким
образом, полный распыл нужен для моделей с коэффициентами, зависящими от характерного размера частиц
дисперсной фазы. В двухшаговых методах на первом шаге полный распыл находится по модели, описывающей
первичный распад. На втором – экономичная модель стартует от полного распыла. В статье для нахождения
полного распыла струи жидкости используется VOF-модель, дающая распределение объемной доли дисперсной
фазы. Для ее интерпретации в терминах капель предлагается метод, верифицированный и валидированный на
задачах распада жидкой пленки [5; 6] и распыла керосина в смесительном канале газовых турбин.
Выходные данные: С.Г. Чёрный, Д. Тарраф Об особенностях моделирования распада струи жидкости на капли в потоке газа. Вестник НГУ. Серия: Информационные технологии. 2025 Т.23, №1. C. 67–87. DOI: 10.25205/1818-7900-2025-23-1-67-87