Тепломассоперенос и гидродинамика в газокапельных потоках

В.И. ТЕРЕХОВ, М.А. ПАХОМОВ

ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОС 

И ГИДРОДИНАМИКА

В ГАЗОКАПЕЛЬНЫХ ПОТОКАХ

Монография

НОВОСИБИРСК

2009

УДК 536.24 + 532.5

Т 35

Рецензенты: д-р физ.-мат. наук О.Н. Кашинский

д-р техн. наук, проф. В.Н. Ярыгин
д-р техн. наук, проф. Ю.В. Овчинников

Терехов В.И.

Т 35
Тепломассоперенос и гидродинамика в газокапельных пото
ках : монография / В.И. Терехов, М.А. Пахомов. – Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2009. – 284 с. (серия «Монографии 
НГТУ»). ISBN 978-5-7782-1157-5

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 по
лезны 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 978-5-7782-1157-5
© Терехов В.И., Пахомов М.А., 2009
© Новосибирский государственный

технический университет, 2009

V.I. TEREKHOV, M.A. PAKHOMOV

FLOW DYNAMICS AND HEAT 

AND MASS TRANSFER 

IN A GAS-DROPLETS FLOWS

Monograph

NOVOSIBIRSK

2009

UDC 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, 2009. – 284 pp. (“NSTU Monographs” series).

ISBN 978-5-7782-1157-5

The monograph has to do with the issues of numerical modeling of hy
drodynamics 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 engi
neering 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. 

UDC 536.24 + 532.5

ISBN 978-5-7782-1157-5
© Terekhov V.I., Pakhomov M.A., 2009
© Novosibirsk State Technical University, 2009

ВВЕДЕНИЕ

роблема интенсификации тепломассообменных процессов 
относится к одному из приоритетных направлений науки и 

техники. Использование для этих целей скрытой теплоты фазового перехода позволяет на порядки увеличить интенсивность теплообмена, 
при этом существенно сократить металлоемкость теплообменных аппаратов и повысить их надежность. Основной трудностью, связанной с 
созданием двухфазных теплообменников, является отсутствие надежных методов прогнозирования оптимальных характеристик подобных 
устройств. Это объясняется сложностью процессов, протекающих в 
двухфазных потоках.

Экспериментальному и теоретическому исследованиям двухфаз
ных течений посвящено много работ. Отметим лишь обобщающие монографии [1−37], в которых рассмотрены многие аспекты динамики и 
теплообмена двухфазного течения, излагаются особенности физикоматематических моделей, пределы их работоспособности и другие 
важные особенности структуры двухфазных потоков и процессов тепломассообмена.

Главной отличительной особенностью настоящей монографии яв
ляется детальное рассмотрение ламинарных и турбулентных газокапельных течений с фазовыми переходами. 

Основу книги составляют численные результаты, полученные ав
торами, кроме того, достаточно полно представлены результаты отечественных и зарубежных авторов по моделированию двухфазных течений при наличии фазовых переходов. 

Полученные в работе данные могут быть использованы для анализа 

интенсификации тепломассопереноса в теплообменных аппаратах различного назначения, работающие как в ламинарном, так и турбулентном режимах течения. Авторами разработана иерархия численных мо
П

ВВЕДЕНИЕ
8

делей с соответствующими граничными условиями. Разработанные 
модели и полученные результаты будут весьма полезны в инженерных 
приложениях при разработке новых методов управления теплообменом 
и трением в проточных трактах энергетических установок.

Авторы хорошо понимают, что в книге нашли отражение не все 

вопросы, связанные с процессами тепломассопереноса в двухфазных 
потоках с фазовыми переходами. Это объясняется невозможностью в 
рамках одной книги с одинаковой подробностью охватить все аспекты 
такой сложной и многофакторной проблемы.

Глава 1 носит вводный характер. В ней приведены краткие сведения 

о турбулентных двухфазных потоках и их основные характеристики. 

В Главе 2, посвященной численному исследованию теплообмена в 

двухфазном ламинарном газокапельном потоке в трубе и вдоль плоской пластины, представляющей собой двумерную модель связанного тепломассопереноса, показано, что возрастание содержания жидкой фазы приводит к значительной интенсификации теплоотдачи по 
сравнению с однофазным течением воздуха. Проанализирован большой спектр факторов, влияющих на тепломассообмен и структуру 
тепловых и концентрационных полей газокапельного потока в трубе. 
Увеличение содержания воздуха приводит к интенсификации теплоотдачи по сравнению с однокомпонентным парокапельным течением. 
В первом приближении при небольших размерах дисперсной фазы 
можно использовать односкоростную модель для исследования процессов течения и тепломассообмена в ламинарных течениях в пограничном слое.

Глава 3 посвящена рассмотрению процесса тепломассообмена при 

турбулентном течении газокапельного потока в трубе с испаряющимися каплями в приближении пограничного слоя. Разработана эйлерова 
двухжидкостная модель для описания процессов переноса импульса, 
энергии и массы в газокапельных течениях в трубе. Анализ результатов расчетов при течении двухфазной смеси с небольшой концентрацией дисперсной фазы показывает хорошее согласие расчетных и 
опытных данных по скоростям и величинам среднеквадратичных 
пульсаций фаз по сечению трубы. Установлена существенная неизотропность пульсаций скорости частиц. Интенсивность пульсаций скорости частиц в аксиальном направлении может быть выше, чем у газовой фазы за счет дополнительной генерации турбулентности из осредненного движения частиц. Добавление частиц в поток газа приводит к 

снижению уровня турбулентности газовой фазы за счет вовлечения 
частиц в пульсационное движение. Показана возможность значительного увеличения интенсивности теплопереноса (в 3 5 раз) и уменьшение величины кинетической энергии турбулентности (до 20 30 %) по 
сравнению с однофазным потоком.

В Главе 4 разработана физическая модель в приближении погра
ничного слоя совместного тепломассообмена для турбулентных газокапельных пристенных струй в трубе на адиабатической стенке и при 
подводе теплового потока к поверхности цилиндрического канала. 
Показано отсутствие подобия в распределении параметров в пределах 
пограничного слоя пристенной газокапельной завесы. Профиль концентрации пара имеет ярко выраженный максимум 
фронт испаре
ния. Впервые выполнено численное исследование тепломассообмена 
и турбулентной структуры потока при распространении пристенной 
газокапельной завесы для случая подвода теплового потока в широком диапазоне изменения термогазодинамических параметров на входе в канал. Метод расчета теплообмена в однофазных газовых завесах, 
основанный на использовании в качестве определяющей температуры 
адиабатической стенки, неприменим для двухфазных газокапельных
завес.

В Главе 5 изложены математическая модель и результаты числен
ного исследования двухфазных струй. Модель основана на решении 
системы осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье–Стокса для 
течения двухфазного потока. Для расчета осредненных и флуктуационных характеристик дисперсной фазы были использованы модели, 
предложенные Л.И. Зайчиком и др. (1994) и И.В. Деревичем (2002). 
Показано, что амплитуда аксиальных турбулентных пульсаций скорости капель значительно выше, чем радиальных. Это явление связано не только с собственной неизотропностью турбулентности пульсаций дисперсной фазы, но и обусловлено дополнительной генерацией турбулентности при движении дисперсной фазы в поле градиента 
осредненной аксиальной скорости частиц (капель). Интенсивность 
пульсаций скорости дисперсной примеси в аксиальном направлении 
выше, чем в однофазной газовой струе при прочих идентичных условиях. Радиальные флуктуации скорости дисперсной фазы значительно меньше, чем величина соответствующих однофазных пульсаций 
на всей длине струи. 

ВВЕДЕНИЕ
10

Настоящая монография является логическим продолжением работ 

по изучению двухфазных потоков, проводимых в течение нескольких 
десятилетий в Новосибирском государственном техническом университете (НГТУ) на кафедре технической теплофизики под руководством 
проф. А.Н. Хозе и позднее проф. Ю.В. Дьяченко. Это были пионерские 
работы, которые затем вылились в обширные экспериментальнотеоретические исследования газокапельных потоков в элементах теплообменных устройств. Работы проводились в тесном контакте с Институтом теплофизики СО РАН. 

В книгу вошли результаты, полученные при поддержке гранта ве
дущих научных школ РФ НШ-2003, грантов Президента РФ для молодых кандидатов наук МК-1184.2005.8 и МК-186.2007.8 и грантов 
РФФИ 
01-02-16994, 
02-02-06327-мас, 
05-02-16281, 
05-08-33586, 

05-08-33588 и 06-08-00967. 

Авторы выражают глубокую признательность: д. т. н. И.В. Дере
вичу (МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва), д. ф.-м. н. А.Ю. Вараксину 
(ИФТПЭ ОИВТ РАН, Москва), д. т. н. Л.И. Зайчику (ИБРАЭ, Москва) 
и коллегам по Институту теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН: 
к. т. н. К.А. Шарову и к. т. н. Н.Е. Шишкину, а также к. т. н. 
Н.И. Ярыгиной за многолетнее плодотворное сотрудничество и творческое общение.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК К ВВЕДЕНИЮ

1.
Фукс Н. А. Механика аэрозолей / Н. А. Фукс. – М. : Изд-во АН СССР, 

1955. – 352 с.

2.
Горбис З. Р. Теплообмен дисперсных сквозных потоков / З. Р. Гор
бис. – М. ; Л.: Энергия, 1964. – 296 с. 

3.
Грин Х. Аэрозоли- пыли, дымы и туманы / Х. Грин, В. Лейн. – Л. : 

Химия, 1969. – 428 с.

4.
Горбис З. Р. Теплообмен и гидромеханика дисперсных сквозных по
токов / З. Р. Горбис. – М. : Энергия, 1970. – 424 с.

5.
Соу С. Гидродинамика многофазных систем / С. Соу. – М. : Наука, 

1971. – 535 с.

6.
Фортье А. Механика суспензий / А. Фортье. – М. : Мир, 1971. – 264 с.

7.
Бабуха Г. Л. Взаимодействие частиц полидисперсного материала в 

двухфазных потоках / Г. Л. Бабуха, А. А. Шрайбер. – Киев : Наукова думка, 
1972. – 175 с.

8.
Уоллис Г. Одномерные двухфазные течения / Г. Уоллис. – М.: Мир. 

1972. 

9.
Бусройд Р. Течение газа со взвешенными частицами. – М. : Мир, 

1975. – 378 с.

10. Ishii M. Thermo-fluid theory of two-phase flows / M. Ishii. – Paris : Ey
rolles, 1975.

11. Сукомел А. С. Теплообмен и гидравлическое сопротивление при дви
жении газовзвеси в трубах / А. С. Сукомел, Ф. Ф. Цветков, Р. В. Керимов. –
М. : Энергия, 1977. – 192 с.

12. Friedlander S. K. Smoke, dusts and haze: fundamentals of aerosol behavior 

/ S. K. Friedlander. – New York : Wiley. 1977. – 317 p. 

13. Clift R. Bubbles, drops and particles / R. Clift, J. R. Grace, M. E. Weber. –

New York : Academic Press, 1978.

14. Двухфазные моно- и полидисперсные течения газа с частицами / 

Л. Е. Стернин [и др.]. – М. : Машиностроение, 1980. – 171 с.

15. Сверхзвуковые двухфазные течения в условиях скоростной неравно
весности частиц / Н. Н. Яненко [и др.]. – Новосибирск : Наука, 1980. – 160 с.

16. Дейч М. Е. Газодинамика двухфазных сред / М. Е. Дейч, Г. А. Филип
пов. – М. : Энергоиздат, 1981. – 356 с.

17. Медников Е. П. Турбулентный перенос и осаждение аэрозолей / 

Е. П. Медников. – М. : Наука, 1981. – 176 с.

18. Теория турбулентных струй / Г. Н. Абрамович [и др.]. – М. : Наука, 

1984. – 718 с.

19. Гришин А. М. Сопряженные и нестационарные задачи механики реа
гирующих сред / А. М. Гришин, В. М. Фомин. – Новосибирск : Наука, 1984. –
318 с.

20. Нигматулин Р. И. Динамика многофазных сред / Р. И. Нигматулин. –

М. : Наука, 1987. – Т. 1. – 464 с.; Т. 2. – 360 с.

21. Турбулентные течения газовзвесей / А. А. Шрайбер [и др.]. – Киев : 

Наукова думка, 1987. – 239 с.

22. Накоряков В. Е.
Тепломассоперенос в двухфазных системах / 

В. Е. Накоряков, А. В. Горин. – Новосибирск : Изд-во ИТ СО РАН, 1994. –
431 с.

23. Волков Э. П. Моделирование горения твердого топлива / Э. П. Волков, 

Л. И. Зайчик, В. А. Першуков. – М. : Наука, 1994. – 320 с.

24. Gorbis Z. R. Momentum and heat transfer in turbulent gas-particles flow / 

Z. R. Gorbis, E. E. Spokoyny. – New York : Begell House Inc, 1995.

25. Crowe C. T. Fundamentals of gas-particle and gas-droplet flows / 

C. T. Crowe, M. Sommerfeld, T. Tsuji. – Boca Raton. Florida. USA : CRC Press, 
1998.

26. Бубенчиков А. М. Численные модели динамики и горения аэродис
персных смесей в каналах / А. М. Бубенчиков, А. В. Старченко. – Томск : Издво ТГУ, 1998.

ВВЕДЕНИЕ
12

27. Губайдуллин Д. А. Динамика двухфазных парогазокапельных потоков / 

Д. А. Губайдуллин. – Казань : Изд-во Казан. математ. об-ва. 1998. – 153 с. 

28. Drew D. A. Theory of multicomponent fluids / D. A. Drew, S. L. Pass
man. – New York : Springer, 1998. 

29. Sirignano W. A. Fluid dynamics and transport of droplets and sprays / 

W. A. Sirignano. – Cambridge : Cambridge University Press, 1999.

30. Вараксин А. Ю. Турбулентные течения газа с твердыми частицами / 

А. Ю. Вараксин. – М. : Физматлит, 2003. – 192 с. 

31. Kleinstreuer C. Two-phase flow: Theory and application / C. Kleinst
reuer. – New York : Taylor and Francis, 2003. – 512 p.

32. Шиляев М. И. Аэродинамика и тепломассообмен газодисперсных по
токов / М. И. Шиляев, А. М. Шиляев. – Томск : Изд-во Томск. гос. архитстроит. ун-та, 2003. – 272 с.

33. Yarin L. P. Combustion of two-phase reactive media / L. P. Yarin, G. Het
sroni. – Berlin : Springer, 2004. – 558 p.

34. Brennen C. E. Fundamental of multiphase flow / C. E. Brennen. – Cam
bridge : Cambridge University Press, 2005.

35. Loth E. Simulating dynamics of dispersed multi-phase flow / E. Loth. –

Cambridge : Cambridge University Press. 2006. – 400 p.

36. Michaelides E. E. Bubbles, drops and particles: their motion, heat and mass 

transfer / E. E. Michaelides. – New York: World Scientific, 2006. – 410 p.

37. Зайчик Л. И. Статистические модели движения частиц в турбулентной 

жидкости / Л. И. Зайчик, В. М. Алипченков. – М. : Физматлит, 2007. – 312 с.