Численное исследование влияния параметров дисперсной фазы на генерацию течения газа, формирующегося при гравитационном осаждении аэрозоля

  • Дмитрий Алексеевич Тукмаков Федеральный исследовательский центр «Казанский научный центр» РАН
Ключевые слова: численное моделирование, динамика многофазных сред, вязкий газ, межфазное взаимодействие

Аннотация

Рассматриваются нестационарные процессы в неоднородной среде. Динамика неоднородных сред во многом определяется эффектами, вызванными межфазным взаимодействием, интенсивность которого зависит от свойств дисперсной фазы. Целью данной статьи является изучение влияния объёмного содержания, плотности материала дисперсной фазы и размера частиц аэрозоля на движение несущей среды. Объектом исследования являются аэрозоли - газокапельные и запылённые среды. Как правило, движение смеси инициируется движением несущей фазы. Здесь несущей средой является газ, течение в нем возникает вследствие осаждения частиц газовзвеси. Численно оценивается влияние дисперсной фазы двухфазной смеси на движение газа при гравитационном осаждении аэрозоля. Математическая модель состоит из уравнений динамики несущей среды и уравнений динамики дисперсной компоненты. Предполагается, что дисперсная компонента смеси осаждается в стоксовом режиме. Система уравнений динамики несущей среды состоит из уравнения неразрывности, уравнений сохранения импульса и энергии. Несущая среда (газ) описывается как вязкая, сжимаемая и теплопроводная. Межфазное взаимодействие определяется силой Стокса. Также в математической модели учитывается межфазный теплообмен. Уравнения математической модели интегрируются явным конечно-разностным методом Мак-Кормака с погрешностью второго порядка, для получения монотонного численного решения применяется схема нелинейной коррекции сеточной функции, позволяющая преодолеть численную осцилляцию в находимом решении. Уравнения математической модели дополняются начальными и краевыми условиями. Приведённые данные численных расчётов демонстрируют формирование течения газа при гравитационном осаждении дисперсной фазы. Также при моделировании гравитационного осаждения аэрозоля происходит неравномерное распределение давления газа, обусловленное течением несущей среды. Численное моделирование выявило, что, в зависимости от параметров дисперсной компоненты газовзвеси, интенсивность течения газа различна.

Литература


  1. Нигматулин Р.И. Основы механики гетерогенных сред. М.: Наука, 1978. 336 с.

  2. Двухфазные моно- и полидисперсные течения газа с частицами / Под ред. Л.Е. Стернина. М.: Машиностроение, 1980. 176 с.

  3. Ходаков Г.С., Юдкин Ю.П. Седиментационный анализ высокодисперсных систем. М.: Химия, 1981. 192 с.

  4. Кутушев А.Г. Математическое моделирование волновых процессов в аэродисперсных и порошкообразных средах. СПб.: Недра, 2003. 284 с.

  5. Федоров А.В., Фомин В.М., Хмель Т.А. Волновые процессы в газовзвесях частиц металлов. Новосибирск: Параллель, 2015. 301 с.

  6. Беляев П.Е., Клиначева Н.Л. Влияние экранирующего слоя газовзвеси на силовое воздействие ударной волны на жёсткую cтенку // Вестник ЮУрГУ. Математика. Механика. Физика. 2016. T. 8, № 4. С. 49-55. https://doi.org/10.14529/mmph160406

  7. Веревкин А.А., Циркунов Ю.М. Течение дисперсной примеси в сопле Лаваля и рабочей секции двухфазной  гиперзвуковой ударной трубы // ПМТФ. 2008. Т. 49, № 5. С. 102-113. (English version https://doi.org/10.1007/s10808-008-0099-y)

  8. Вараксин А.Ю., Протасов М.В., Яценко В.П. Анализ механизмов осаждения твердых частиц на стенки каналов // ТВТ. 2013. Т. 51, № 5. С. 738-746. https://doi.org/10.7868/S0040364413050219

  9. Глазунов А.А., Дьяченко Н.Н., Дьяченко Л.И. Численное исследование течения ультрадисперсных частиц оксида алюминия в сопле ракетного двигателя твердого топлива // Теплофизика и аэромеханика. 2013. Т. 20. № 1.
    С. 81-88. (English version https://doi.org/10.1134/S0869864313010071)

  10. Степкина М.Ю., Кудряшова О.Б., Антонникова А.А. Скорости осаждения мелкодисперсных аэрозолей в акустическом и электрическом поле // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2018. Т. 329, № 3. C. 62-68.

  11. Крупнова Т.В., Саркулов М.К., Уманский А.А., Тутукин А.В. Экспериментальные исследования параметров и константы осаждения аэрозолей свинца // Инновации в атомной энергетике: сб. докл. конф. молодых специалистов. Москва, 1-3 октября 2019 г. М.: Изд-во АО «НИКИЭТ», 2019. С. 326-330.

  12. Губайдуллин Д.А., Зарипов Р.Г., Ткаченко Л.А., Шайдуллин Л.Р. Экспериментальное исследование осаждения аэрозолей в частично заполненной открытой трубе в резонансном режиме // Материалы XXI Международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (ВМСППС'2019). Алушта, Крым, 24-31 мая 2019. М.: Изд-во МАИ, 2019. С. 452-453.

  13. Лисаков С.А., Сидоренко А.И., Сыпин Е.В. Моделирование запыленности в тупиковой выработке угольной шахты // Южно-Сибирский научный вестник. 2019. № 4-1(28). C. 200-213.

  14. Кузьмин А.А., Кузьмина Т.А., Пермяков А.А. Осаждение аэрозолей в каналах систем противодымной вентиляции // Проблемы управления рисками в техносфере. 2019. № 3(51). C. 90-95.

  15. Никифоров А.И., Садовников Р.В., Никифоров Г.А. О переносе дисперсных частиц двухфазным фильтрационным потоком // Вычисл. мех. сплош. сред. 2013. Т. 6, № 1. C. 47-53. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2013.6.1.6

  16. Невский Ю.А., Осипцов А.Н. Моделирование гравитационной конвекции суспензий // ПЖТФ. 2009. Т. 35, № 7. С. 98-105. (English version https://doi.org/10.1134/S1063785009040154)

  17. Tukmakov D.A. Numerical study of polydisperse aerosol dynamics with the drops destruction // Lobachevskii J. Math. 2019. Vol. 40. P. 824-827. https://doi.org/10.1134/S1995080219060234

  18. Тукмаков Д.А. Численное моделирование ударно-волновых течений в газовзвеси с неоднородной концентрацией дисперсной фазы // Изв. вузов. Авиационная техника. 2019. № 1. С. 54-59. (English version https://doi.org/10.3103/S1068799819010082)

  19. Губайдуллин Д.А., Тукмаков Д.А. Численное исследование влияния дробления дисперсной фазы на процесс распространения ударной волны из чистого газа в аэрозоль // ТВТ. 2019. Т. 57, № 6. С. 909-913. https://doi.org/10.1134/S0040364419060097

  20. Тукмаков Д.А. Численное исследование скоростного скольжения фаз при прохождении ударной волны малой интенсивности из чистого газа в запылённую среду // Многофазные системы. 2019. Т. 14, № 2. С. 125-131. https://doi.org/10.21662/mfs2019.2.017

  21. Тукмаков Д.А. Теоретическое исследование релаксации интенсивности скачка давления на фронте ударной волны в газовзвеси // ФиППТиТ. 2019. № 3. C. 3-11.

  22. Fletcher C.A.J. Computation techniques for fluid dynamics. Springer, 1988. 502 p. https://doi.org/10.1007/978-3-642-97071-9

  23. Тукмаков А.Л. Численное моделирование акустических течений при резонансных колебаниях газа в закрытой трубе // Изв. вузов. Авиационная техника. 2006. № 4. С. 33-36.

  24. Музафаров И.Ф., Утюжников С.В. Применение компактных разностных схем к исследованию нестационарных течений сжимаемого газа // Матем. моделирование. 1993. Т. 5, № 3. С. 74-83.

Опубликован
2020-09-30
Как цитировать
Тукмаков, Д. А. (2020). Численное исследование влияния параметров дисперсной фазы на генерацию течения газа, формирующегося при гравитационном осаждении аэрозоля. Вычислительная механика сплошных сред, 13(3), 279-287. https://doi.org/https://doi.org/10.7242/1999-6691/2020.13.3.22
Раздел
Статьи