Fluid DynamicsFluid DynamicsИзвестия Российской академии наук. Механика жидкости и газа1024-70843034-5340The Russian Academy of Sciences68378510.31857/S1024708425010072DUXGPSArticlesСтатьиResearch ArticleGAS-DROPLET TURBULENT JETS WITH PHASE TRANSITIONS AND DROPLET COLLISIONSГАЗОКАПЕЛЬНЫЕ ТУРБУЛЕНТНЫЕ СТРУИ С ФАЗОВЫМИ ПРЕВРАЩЕНИЯМИ И СОУДАРЕНИЯМИ КАПЕЛЬZuevYu. V.ЗуевЮ. В.yuri_zuev@bk.ruMoscow Aviation Institute (National Research University)Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)150220251NO1 (2025)№1 (2025)14616010062025Copyright ©; 2025, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2025, Российская академия наук2025Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://journals.eco-vector.com/1024-7084/article/view/683785

The effect of phase transitions and droplet collisions on the parameters of a gas-droplet nonisothermal turbulent jet is studied numerically using the developed mathematical model of the jet. When carrying out the mathematical modeling of two-phase jet flow, the case of flow out of a heterogeneous medium from a nozzle into steady gas with the temperature significantly higher than the temperature of the phases at the nozzle exit is considered. The calculations carried out for various volume concentrations of droplets at the nozzle exit (in the initial jet cross-section) showed that at the concentration of the order of 10–4, the droplet collisions do not have a significant effect on the jet parameters; this effect begins to manifest itself at an initial droplet concentration of the order of 5 × 10–4 and becomes noticeable at the concentration equal to 10–3. As distinct from droplet collisions, phase transitions have a noticeable effect on the jet parameters over the entire considered range of variation in the initial droplet concentration from 10–4 to 10–3.

С использованием разработанной математической модели газокапельной неизотермической турбулентной струи проведено численное исследование влияния фазовых превращений и соударений капель на параметры этой струи. При проведении математического моделирования двухфазного струйного течения рассматривался случай истечения из сопла гетерогенной среды в неподвижный газ с температурой, существенно превышающей температуру фаз на срезе сопла. Расчеты, выполненные для различных значений объемной концентрации капель на срезе сопла (в начальном сечении струи), показали, что при значении этой концентрации порядка 10–4 соударения капель не оказывают существенного влияния на параметры струи; это влияние начинает проявляться при начальной концентрации капель порядка 5 · 10–4 и становится заметным при ее значении, равном 10–3. В отличие от соударений капель, фазовые превращения оказывают заметное влияние на параметры струи во всем рассмотренном диапазоне изменения начальной концентрации капель: от 10–4 до 10–3.

gas-droplet jetphase transitionsdroplet coagulation and fragmentationmathematical modelcalculation resultsгазокапельная струяфазовые превращениякоагуляция и дробление капельматематическая модельрезультаты расчетовMostafa A.A., Elghobashi S.E. A two-equation turbulence model for jet flows laden with vaporizing droplets // Int. J. Multiph. Flow. 1985. V. 11. No. 4. P. 515–533. https://doi.org/10.1016/0301-9322(85)90073-4Mostafa A.A., Mongia H.C. On the modeling of turbulent evaporating sprays: Eulerian versus Lagrangian approach // Int. J. Heat Mass Tranf. 1987. V. 30. No. 12. P. 2583–2593. https://doi.org/10.1016/0017-9310(87)90139-6Пахомов М.А., Терехов В.И. Численное исследование турбулентной структуры полидисперсной двухфазной струи с испаряющимися каплями // Математическое моделирование. 2016. Т. 28. № 11. С. 64–78.De S., Lakshmisha K.N. Simulations of Evaporating Spray Jet in a Uniform Co-Flowing Turbulent Air Stream // Int. J. Spray Combust. Dyn. 2009. V. 1. No. 2. P. 169–198. https://doi.org/10.1260/175682709788707459Таунсенд А.А. Структура турбулентного потока с поперечным сдвигом / Пер. с англ. Г.И. Баренблатта; Под ред. А.Н. Колмогорова. – М. : Изд-во иностр. лит., 1959. 399 с.Вараксин А.Ю. Двухфазные потоки с твердыми частицами, каплями и пузырями: проблемы и результаты исследований (обзор) // ТВТ. 2020. Т. 58. № 4. С. 646–669. https://doi.org/10.31857/S004036442004016XВараксин А.Ю. Гидрогазодинамика и теплофизика двухфазных потоков с твердыми частицами, каплями и пузырями (обзор) // ТВТ. 2023. Т. 61. № 6. С. 926–948. https://doi.org/10.31857/S0040364423060169Picano F., Sardina G., Gualtieri P., Casciola C.M. Anomalous memory effects on transport of inertial particles in turbulent jets // Phys. Fluids. 2010. V. 22. No 5. 031005. P. 1–4.Wang J., Dalla Barba F., Picano F. Direct numerical simulation of an evaporating turbulent diluted jet-spray at moderate reynolds number // Int. J. Multiph. Flow. 2021. V. 137. Article 103567. https://doi.org/10.1016/j.ijmultiphaseflow.2021.103567Зуев Ю.В. О некоторых причинах немонотонного изменения концентрации дискретной фазы в двухфазной турбулентной струе // Изв. РАН. МЖГ. 2020. № 2. С. 51–60. https://doi.org/10.1134/S0015462820020147Зуев Ю.В. Об использовании критерия Стокса при математическом моделировании двухфазных струйных течений // Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. Физ.-матем. науки. 2019. Т. 161. Кн. 3. С. 341–354. https://doi.org/10.26907/2541-7746.2019.3.341-354Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред: в 2 ч. М.: Наука, 1987. Ч. 1. 464 с.Хинце И.О. Турбулентность, ее механизм и теория. М.: Физматгиз, 1963. 680 с.Стернин Л.Е., Шрайбер А.А. Многофазные течения газа с частицами. М.: Машиностроение, 1994. 320 с.Стернин Л.Е. Основы газодинамики двухфазных течений в соплах. М.: Машиностроение, 1974. 212 с.Fuchs N.A. Evaporation and droplet growth in gaseous media. London: Pergamon Press, 1959. 80 p.Friedlander S.К. Smoke, Dust and Haze: Fundamentals of Aerosol Behavior. – New York: Wiley & Sons, 1977. 317 p.Васенин И.М., Архипов В.А., Бутов В.Г., Глазунов А.А., Трофимов В.Ф. Газовая динамика двухфазных течений в соплах. Томск: Изд-во Томск. ун-та, 1986. 264 с.Абрамович Г.Н., Гиршович Т.А., Крашенинников С.Ю., А.Н. Секундов А.Н., Смирнова И.П. Теория турбулентных струй / Под ред. Г.Н. Абрамовича. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Наука, 1984. 716 с.Зуев Ю.В., Лепешинский И.А., Решетников В.А., Истомин Е.А. Выбор критериев и определение их значений для оценки характера взаимодействия фаз в двухфазных турбулентных струях // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2012. № 1. С. 42–54.Турбулентность. Принципы и применения / Под ред. У. Фроста, Т. Моулдена. М.: Мир, 1980. 535 с.Крашенинников С.Ю. К расчету осесимметричных закрученных и незакрученных турбулентных струй // Изв. АН СССР. МЖГ. 1972. № 3. С. 71–80.Андерсон Д., Таннехилл Дж., Плетчер Р. Вычислительная гидромеханика и теплообмен: В 2-х т., Т. 2: Пер. с англ. Мир, 1990. 392 с.Шрайбер А.А., Гавин Л.Б., Наумов В.А., Яценко В.П. Турбулентные течения газовзвеси. Киев: Наук. Думка, 1987. 240 с.Yule A.J., Seng C.Ah., Felton P.G., Ungut A., Chigier N.A. A Study of Vaporizing Fuel Sprays by Laser Techniques // Comb. Flame. 1982. № 44. P. 71–84. https://doi.org/10.1016/0010-2180(82)90064-5