Моделирование массообмена в задачах численного исследования нагрева криогенных продуктов в горизонтальном сосуде

Рассмотрены проблемные вопросы моделирования испарения-конденсации при численном исследовании нестационарного тепломассообмена в криогенных процессах. Приведена постановка задачи расчета параметров многофазного турбулентного течения в замкнутой области при аппроксимации свободной поверхности методом объема жидкости, использование которого позволяет отслеживать вертикальное перемещение границы раздела фаз в процессе изменения параметров криопродукта с течением времени. Приведено описание моделей испарения-конденсации, пригодных для использования в нестационарных расчетах течений в замкнутой области совместно с методом объема жидкости. Продемонстрирована возможность использования модели испарения-конденсации Ли и модели, основанной на законе диффузии частиц, применительно к расчетам на несложных расчетных сетках. Представлены результаты расчетов изменения давления криогенного продукта в процессе бездренажного хранения при использовании различных моделей кипения-конденсации. Полученные результаты моделирования использованы при накоплении базы данных параметров хранения в системе дистанционного мониторинга состояния криогенного оборудования. Данные представляют собой расчетные значения времени хранения для различных исходных значений давления и уровня жидкости в сосуде, причем каждому значению внешнего теплового потока будет соответствовать конкретное расчетное время бездренажного хранения.

Ключевые слова

тепломассообмен; бездренажное хранение; вычислительная гидродинамика; модель испарения-конденсации; танк-контейнер.

Литература

1. Ustolina, F. Cryogenic Hydrogen Storage Tanks Exposed to Fires: a CFD Study / F. Ustolina, G. Scarponib, T. Iannacconeb, V. Cozzanib, N. Paltrinieri // Chemical Engineering Transactions. - 2022. - V. 90. - P. 535-540.
2. Архаров, И.А. О необходимости возрождения криогенного машиностроения в России / И.А. Архаров // Вестник Международной академии холода. - 2023. - № 1. - С. 6-9.
3. Lee, Du-Yong. Fatigue Analysis of a 40 ft LNG ISO Tank Container / Du-Yong Lee, Jae-Sang Jo, A. Nyongesa, Won-Ju Lee // Materials. - 2023. - V. 16. - P. 428.
4. Kang, Minsuk. Experimental Investigation of Thermal Stratification in Cryogenic Tanks / Minsuk Kang, Juwon Kim, Hwalong You, Daejun Chang // Experimental Thermal and Fluid Science. - 2017. - V. 96. - P.371-382.
5. Домашенко, А.М. Тепломассообмен при неравновесном процессе нагрева термодинамически подобных криопродуктов до закритического состояния / А.М. Домашенко // Научно-технический сборник «Вести газовой науки». - 2020. - Т. 1, № 42. - С. 110-123.
6. Soldatov, E. Issues of Energy-Efficient Storage of Fuel in Multimodal Transport Units / E. Soldatov, A. Bogomolov // Smart Innovation, Systems and Technologies. - 2022. - V. 232. - P. 393-402.
7. Ряжских, В.И. Численное моделирование термоконцентрационной конвекции в криогенных резервуарах / В.И. Ряжских, В.А. Сумин, А.А. Хвостов, А.А. Журавлев, О.А. Семенихин // Математические методы в технике и технологиях. - 2020. - Т. 5. - С. 17-20.
8. Huerta, F. CFD Modelling of the Isobaric Evaporation of Cryogenic Liquids in Storage Tanks / F. Huerta, V. Vesovic // International Journal of Heat and Mass Transfer. - 2021. - V. 176. - Article ID: 121419.
9. Navasardyan, E.S. Transient Processes in Air Separation Plants / E.S. Navasardyan, I.A. Arkharov, K.V. Mokhov // Chemical and Petroleum Engineering. - 2019. - V. 54, № 11. - P. 821-826.
10. Soldatov, E.S. Monitoring the State of Vehicles with Dangerous Goods in Cyber-Physical Systems / E.S. Soldatov, A.S. Soldatov // Studies in Systems, Decision and Control. - 2023. - V. 477. - P. 277-285.
11. Chen, L. Simulation of Self-Pressurization in Cryogenic Propellant Tank / L. Chen, B. Ai, S. Chen, G. Liang // 12th International Conference on Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics. - Costa del Sol, 2016. - P. 1068-1073.
12. Kartuzova, O.V. CFD Modeling of Phase Change and Pressure Drop during Violent Sloshing of Cryogenic Fluid in a Small-Scale Tank / O.V. Kartuzova, M. Kassemi, Y. Umemura, K. Kinefuchi, T. Himeno // AIAA Propulsion and Energy 2020 Forum. - Reston, 2020. - 20 p.
13. Ряжских, А.В. Температурное поле однородной квадратной области с движущимися без ускорения смежными сторонами при граничных условиях первого рода / А.В. Ряжских, А.А. Хвостов, Е.А. Соболева, В.И. Ряжских // Вестник ЮУрГУ. Серия: Математика. Механика. Физика. - 2023. - Т. 15, № 1. - С. 55-62.
14. Bo, Wang. Characterization and Monitoring of Vacuum Pressure of Tank Containers with Multilayer Insulation for Cryogenic Clean Fuels Storage and Transportation / Wang Bo, Luo Ruoyin, Chen Hong // Applied Thermal Engineering. - 2021. - V. 187. - Article ID: 116569.
15. Liang, Z. Molecular simulation of steady-state evaporation and condensation: Validity of the Schrage relationships / Z. Liang, T. Biben, P. Keblinski // International Journal of Heat and Mass Transfer. - 2017. - V. 114. -P. 105-114.
16. Kassemi, M. Effect of Interfacial Turbulence and Accommodation Coefficient on CFD Predictions of Pressurization and Pressure Control in Cryogenic Storage Tank / M. Kassemi, O. Kartuzova // Cryogenics. - 2016. - V. 74. - P. 138-153.
17. Kharangate, C. Review of Computational Studies on Boiling and Condensation / C. Kharangate, I. Mudawar // International Journal of Heat and Mass Transfer. - 2017. - V. 108. - P. 1164-1196.
18. Min, Wandong Investigation of the Condensation Mass Transfer Time Relaxation Parameter for Numerical Simulation of the Thermosiphon / Wandong Min, Wei Zhong, Yuting Zhang, Xiaoling Cao, Yanping Yuan // International Journal of Heat and Mass Transfer. - 2023. - V. 2001, № 1. - Article ID: 123599.
19. Qiu, Guo-don Analysis on the Value of Coefficient of Mass Transfer with Phase Change in Lee's Equation / Guo-don Qiu, Z. Wu, Y. Jiang, Y. Yao // J. Harbin Inst. Technol. - 2014. - V. 46. - P. 15-19.
20. Tan, Zhoutuo. Improvement on Evaporation-Condensation Prediction of Lee Model via a Temperature Deviation Based Dynamic Correction on Evaporation Coefficient / Zhoutuo Tan, Zehan Cao, Wenxiao Chu, Qiuwang Wang, // Case Studies in Thermal Engineering. - 2023. - V. 48. - P. 103147.
21. Bracconi, M. CFD Modeling of Multiphase Flows with Detailed Microkinetic Description of the Surface Reactivity / M. Bracconi // Chemical Engineering Research and Design. - 2022. - V. 179. - P. 564-579.
22. Saufi, A. An Experimental and CFD Modeling Study of Suspended Droplets Evaporation in Buoyancy Driven Convection / A. Saufi, R. Calabria, F. Chiariello, A. Frassoldati, A. Cuoci, T. Faravelli, P. Massoli // Chemical Engineering Journal. - 2019. - V. 375. - P. 122006.
23. Yang, W. Predicting Evaporation Dynamics of a Multicomponent Gasoline/Ethanol Droplet and Spray Using Non-Ideal Vapour-Liquid Equilibrium Models / W. Yang, J. Xia, X. Wang, K. Wan, A. Megaritis, H. Zhao // International Journal of Heat and Mass Transfer. - 2021. - V. 168. - P. 120876.
24. Strotos, G. Predicting the Evaporation Rate of Stationary Droplets with the VOF Methodology for a Wide Range of Ambient Temperature Conditions / G. Strotos, I. Malgarinos, N. Nikolopoulos, M. Gavaises // International Journal of Thermal Sciences. - 2016. - V. 109. - P. 253-262.
25. Soldatov, E. Decision Support Models and Algorithms for Remote Monitoring of the Equipment State / E. Soldatov, A. Bogomolov // Proceedings of the International Scientific and Practical Conference "Information Technologies and Intelligent Decision Making Systems". - Moscow, 2021. - P. 1-8.
26. Larkin, E. Discrete Model of Mobile Robot Assemble Fault-Tolerance / E. Larkin, A. Bogomolov, A. Privalov // Interactive Collaborative Robotics. ICR 2019. Lecture Notes in Computer Science, V. 11659. Springer, Cham, - 2019. - P. 204-215.
27. Larkin, E.V. Modeling the Reliability of the Onboard Equipment of a Mobile Robot / E.V. Larkin, T.A. Akimenko, A.V. Bogomolov // Izvestiya of Saratov University. Mathematics. Mechanics. Informatics. - 2021. - V. 21, № 3. - P. 390-399.