Определить оптимальную геометрию проточной части сопла Лаваля и завихрителя для достижения температуры потока ниже -70°C и максимального отделения жидкой фазы.
2.1. Рабочая среда (Состав газа): Моделирование проводить для бинарной смеси (или многокомпонентной, если позволяет ПО): 1. Метан (CH_4): 97.8% (об.) 2. Сероводород (H_2S): 2.2% (об.) Важно: Использовать модель реального газа (Real Gas Model, уравнение Пенга-Робинсона или Redlich-Kwong), так как давление высокое. 2.2. Параметры на Входе (Inlet): • Давление (P_{total}): 60 бар (абс). • Температура (T_{total}): +20°C (293 K). • Массовый расход: Подобрать под геометрию (целевой объемный расход ~5000 нм³/час). 2.3. Параметры на Выходе (Outlet): • Целевое давление восстановления: Не менее 40–45 бар (допустимая потеря давления — не более 30%). 3. Задачи для расчетчика (Что нужно сделать) Этап А: Геометрия и Сетка Построить параметрическую 3D-модель сопла, включающую: 1. Завихритель (Swirler): На входе (тип — шнек или лопатки). Угол закрутки варьировать (30°, 45°, 60°). 2. Критическое сечение (Горло): Варьировать диаметр (D_{throat}) в диапазоне 10–15 мм. 3. Диффузор (Рабочая часть): Угол раскрытия строго не более 5–7 градусов (для предотвращения отрыва потока). Длина диффузора 150–250 мм. Этап Б: Физика процесса (Самое важное) Настроить решатель (Solver) с учетом: • Сжимаемости потока (Compressible flow) — переход через Мах > 1. • Нуклеации и конденсации (Nucleation model): Расчет должен показать, в какой точке сероводород начнет превращаться в жидкость. • Центробежных сил: Расчет траектории капель (Discrete Phase Model — DPM). Капли должны ударяться о стенки диффузора, а не лететь по центру. 4. Критерии успеха (Что мы ищем) Модель считается успешной, если расчет показывает: 1. Статическая температура: В зоне расширения падает до -70°C...-80°C. 2. Центробежное ускорение: Достигает значений > 10 000 g (для эффективного отброса капель). 3. Сепарация: Более 80% образовавшихся капель достигают стенок до выхода из сопла. 4. Отсутствие ударных волн (скачков уплотнения): Внутри диффузора, которые могут разрушить охлаждение. 5. Результаты (Что выдать заказчику) 1. Чертеж профиля сопла: Точные координаты (X, Y) для токаря с ЧПУ. 2. Картины полей (Контурные графики): • Распределение температуры по длине (показать зону холода). • Распределение числа Маха (показать, где сверхзвук). • Траектории частиц жидкости (показать, что их прижимает к стенке). 3. График P-T: Фазовая диаграмма поведения смеси внутри сопла (зашли ли мы в зону жидкости).
