Численный анализ эффективности смешения топливных газов в тройниковом соединении при изменениях диаметра боковой трубы и угла ее врезки

Аннотация

Проведено численное исследование процессов смешения многокомпонентных газовых потоков в тройниковом соединении с различным диаметром боковой трубы и углом ее врезки 90°. В основную трубу диаметром D₁ = 254 мм подавался метан с массовым расходом 10 кг/c и температурой 60 °C, в боковую --- смесь трех газов (метана, водорода, азота) с мольными долями r_CH4 = r_H2 = 0,4, r_N2 = 0,2, расходом смеси 10 кг/c и температурой 90 °C. Диаметр боковой трубы варьировался в диапазоне значений D₂ = (0,6...1,0)D₁. Для различных значений D₂ / D₁ получены поля скорости, температуры и массовых долей компонентов смеси в основной трубе. Определено оптимальное значение D₂ / D₁, обеспечивающее необходимую однородность состава и температуры смеси в основной трубе на расстоянии 20D₁ от начала смешения. Моделирование также выполнено для тройникового соединения с трубами одного диаметра D₁ и углом врезки боковой трубы 60°. Показано, что такой угол врезки существенно улучшает качество смешения смеси в тройниковом соединении. Для Т-образного тройника с D₂ / D₁ = 1 определены длины дополнительных фрагментов основной трубы (технически гладкой и с шероховатостью Ra40), обеспечивающих необходимую однородность состава и температуры газовой смеси

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках Государственного задания № FSWF-2023-0017 (соглашение № 075-032023-383 от 18.01.2023) в сфере научной деятельности на 2023--2025 гг.

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Тупоносов Ф.В., Артемов В.И., Яньков Г.Г. и др. Численный анализ эффективности смешения топливных газов в тройниковом соединении при изменениях диаметра боковой трубы и угла ее врезки. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2024, № 3 (114), с. 115--132. EDN: SEFVZP

Литература

[1] Paul E.L., Atiemo-Obeng V.A., Kresta S.M., ed. Handbook of industrial mixing. Wiley, 2004.

[2] Ghanem A., Lemenand T., della Valle D., et al. Static mixers: mechanisms, applications, and characterization methods --- a review. Chem. Eng. Res. Des., 2014, vol. 92, iss. 2, pp. 205--228. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cherd.2013.07.013

[3] Khokhar Z.H.I., Al-Harthi M.A., Abusharkh B.F., et al. Heat and mass transfer mixing enhancements in pipe-line; numerical CFD and experimental chores: a review. IJESIT, 2013, vol. 2, no. 1, pp. 1--11.

[4] Evrim C., Chu X., Silber F.E., et al. Flow features and thermal stress evaluation in turbulent mixing flows. Int. J. Heat Mass Transfer, 2021, vol. 178, art. 121605. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2021.121605

[5] Evrim C., Chu X., Laurien E. Analysis of thermal mixing characteristics in different T-junction configurations. Int. J. Heat Mass Transfer, 2020, vol. 158, art. 120019. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.120019

[6] Smith B.L., Mahaffy J.H., Angele K. A CFD benchmarking exercise based on flow mixing in a T-junction. Nucl. Eng. Des., 2013, vol. 264, pp. 80--88.DOI: https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2013.02.030

[7] Utanohara Y., Miyoshi Y.K., Nakamura A. Conjugate numerical simulation of wall temperature fluctuation at a T-junction pipe. MEJ, 2018, vol. 5, iss. 3, pp. 18-00044. DOI: https://doi.org/10.1299/mej.18-00044

[8] Tuponosov F.V., Artemov V.I., Yankov G.G., et al. Simulation of mixing of single-phase fluids in T-junctions. Therm. Eng., 2023, vol. 70, no. 9, pp. 673--692. DOI: https://doi.org/10.1134/S0040601523090070

[9] Forney L.J., Lee H.C. Optimum dimensions for pipeline mixing at a T-junction. AIChE J., 1982, vol. 28, iss. 6, pp. 980--987. DOI: https://doi.org/10.1002/aic.690280613

[10] Ger A.M., Holley E.R. Turbulent jets in crossing pipe flow. University of Illinois at Urbana-Champaign, 1974.

[11] Ger A.M., Holley E.R. Comparison of single-point injections in pipe flow. J. Hy-draulics Division, 1976, vol. 102, no. 6, pp. 731--746. DOI: https://doi.org/10.1061/JYCEAJ.0004554

[12] Maruyama T., Suzuki S. Pipeline mixing between two fluid streams meeting at a T-junction. Int. Chem. Eng., 1981, vol. 21, no. 2, pp. 205--212.

[13] Forney L.J., Kwon T.C. Efficient single-jet mixing in turbulent tube flow. AIChE J., 1979, vol. 25, iss. 4, pp. 623--630. DOI: https://doi.org/10.1002/aic.690250408

[14] O’Leary C.D., Forney L.J. Optimization of in-line mixing at a 90° tee. Ind. Eng. Chem. Process Des. Dev., 1985, vol. 24, iss. 2, pp. 332--338. DOI: https://doi.org/10.1021/i200029a019

[15] Chen S.H., Ou J.J., Dukat A.J., et al. Dynamics of fluid mixing at a T-junction with implications on natural gas processing. Ind. Eng. Chem. Res., 1990, vol. 29, iss. 8, pp. 1690--1695. DOI: https://doi.org/10.1021/ie00104a018

[16] Igarashi M., Tanaka M., Kawashima S., et al. Experimental study on fluid mixing for evaluation of thermal striping in T-pipe junction. 10th Int. Conf. оn Nuclear Engineering, 2002, pp. 383--390. DOI: https://doi.org/10.1115/ICONE10-22255

[17] Launder B.E., Spalding D.B. The numerical computation of turbulent flows. Comput. Methods Appl. Mech. Eng., 1974, vol. 3, iss. 2, pp. 269--289. DOI: https://doi.org/10.1016/0045-7825(74)90029-2

[18] Kader B.A. Temperature and concentration profiles in fully turbulent boundary layers. Int. J. Heat Mass Transfer., 1981, vol. 24, iss. 9, pp. 1541--1544. DOI: https://doi.org/10.1016/0017-9310(81)90220-9

[19] Wilke C.R. A viscosity equation for gas mixtures. J. Chem. Phys., 1950, vol. 18, iss. 4, pp. 517--519. https://doi.org/10.1063/1.1747673

[20] Mason E.A., Saxena S.C. Approximate formula for the thermal conductivity of gas mixtures. Phys. Fluids, 1958, vol. 1, iss. 5, pp. 361--369. DOI: https://doi.org/10.1063/1.1724352

[21] Wang X., Feng Z., Forney L.J. Computational simulation of turbulent mixing with mass transfer. Comput. Struct., 1999, vol. 70, iss. 4, pp. 447--465. DOI: https://doi.org/10.1016/S0045-7949(98)00160-6

[22] Jayatilleke C.L.V. The influence of Prandtl number and surface roughness on the resistance of the laminar sublayer to momentum and heat transfer. Prog. Heat Mass Transfer, 1969, vol. 1, pp. 193--321.