다단계 흐름(다상 유동) / Multiphase Flows

극저온 액체 / 가스 조합 및 제 2 비응 축성 가스 성분을 함유하는 탱크

FLOW-3D 의 상 변화 모델은 액체 / 기체 계면에서의 기화 및 응축을 시뮬레이션합니다. 그것은 주위 액체에 증기 기포의 형성과 상호 작용을 예측합니다. 기포는 핵 생성을하고 액체 운동에 역동적으로 반응하며 주변 환경의 온도와 압력에 따라 성장하거나 줄어들 수 있습니다.
FLOW-3D 의 기존 상 변화 모델은 증기 기포와 주변 액체의 형성과 상호 작용을 예측하는 강력한 도구입니다. 기포는 액체 운동에 동적으로 반응 할 수 있으며 주위 환경의 온도와 압력에 따라 성장하거나 줄어들 수 있습니다 . 그러나, 증기와 함께 존재할 수 있는 응축되지 않는 가스의 효과를 기포 또는 다른 증기 공간 내부에 포함시키는 것은 아직 가능하지 않습니다.

예를 들어 수증기와 공기가 모두 포함 된 기포가 증기보다 더 낮은 온도 또는 더 낮은 조건에서 존재할 수있는 공기 / 물 / 증기 시스템의 역학에서 중요 할 수 있습니다. FLOW-3D 는 사용자가 비 응축 가스를 모델링 할 수있게 하여이 제한을 없앱니다.

하이라이트
  • 사용자는 가스 상수, 열용량 및 증발 데이터의 열을 제공하고 관련 초기 및 경계 조건 데이터 만 지정하면됩니다.
  • 기체 / 액체 계면이 존재하는 곳에서는 액체의 증발과 증기의 응축이 자동으로 계산됩니다.
  • 사용자는 응축되지 않는 가스 및 증기의 부피 분율을 그래픽으로 추적 할 수 있습니다.
모델 기본 사항

이 모델은 날카로운 인터페이스 추적과 함께 FLOW-3D 의 압축성 2-유체 흐름 옵션과 함께 사용해야합니다. 비 응축 가스의 국부적인 농도를 추적하는 새로운 양은 모델이 가스 / 증기상 내에서 가스의 효과를 예측할 수있게 합니다. 가스 상수 및 열용량에 대한 조정은 압력 – 밀도 관계를 변경시킵니다. 그러므로 기체 / 증기 혼합물에서 응축 가능한 상 (condensable phase)의 증기압의 계산은 증기의 체적 분율에 국소 절대 압력을 곱한 값입니다.

따라서 모델의 기초는 물질 전달률의 계산입니다 :

실험 및 시뮬레이션 데이터를 사용한 샘플 결과

극저온 탱크 내의 압력 도표 : 테스트 데이터 (빨간색)와 FLOW-3D 모델 (파란색)의 비교. 압력은 탱크 벽을 통한 점진적인 가열로 인해 상승하고 차가운 질소 스프레이의 도입으로 인해 급격히 감소합니다.
극저온 액체 / 가스 조합 및 제 2 비응축성 가스 성분을 함유하는 탱크의 이러한 예에서, 탱크의 벽은 특정 탱크 압력에 도달 할 때까지 서서히 가열되고,이 시점에서 차가운 액체 스프레이가 급속하게 도입되어 온도를 낮추는 탱크를 감압하십시오. 이 프로세스는 주기적입니다.

이 모델을 기반으로하는 연구는 미국 항공 우주 학회 (American Institute of Astronautics) 회의에서 발표 되었습니다. 이 연구에는 실제 테스트 데이터와 액화 가스를 포함하는 극저온 탱크의 계산 시뮬레이션을 비 응축 가스 (일반적으로 헬륨)와 비교하여 비교했습니다. 왼쪽의 플롯은 시간의 함수로서 질소 증기 및 헬륨 가스를 함유 한 가스 공간을 갖는 액체 질소를 함유하는 탱크의 증기 영역 내의 압력을 도시합니다. 예를 들어, 탱크의 벽에서 탱크 압력이 25 psi에 도달 할 때까지 서서히 가열합니다. 이 시점에서 차가운 액체 질소 스프레이가 도입되어 탱크를 급냉(따라서 감압) 합니다. 그런 다음 이 과정이 반복됩니다. 시뮬레이션 데이터는 실제 테스트 데이터와 잘 일치하였습니다. 오류는 일반적으로 ~ 10 % 정도입니다. FLOW-3D 모델과 테스트 데이터 간의 오차는 부분적으로 열 전달 계수를 측정하기 어렵기 때문에 모델에서의 열전달율이 일정하다고 가정하고 액체 스프레이를 탱크는 일정한 온도로 유지됩니다.