Моделирование динамики ударного импульса в трубе с внутренним слоем водной пены

Численно исследована динамика сферической ударной волны, инициированной взрывом в центре трубы, содержащей газ и слой водной пены с объемным водосодержанием 0,2, расположенный около внутренней границы трубы. Система модельных уравнений водной пены включает законы сохранения массы, импульса, энергии каждой фазы и уравнение динамики водосодержания пены в однодавленческом, двухскоростном, двухтемпературном приближениях в трехмерной постановке и учитывает силы межфазного сопротивления и межфазный контактный теплообмен. Термодинамические свойства воздуха и воды, составляющих газокапельную смесь, описаны реалистическими уравнениями состояния. Численное решение поставленной задачи реализовано с использованием открытого программного комплекса OpenFOAM. Достоверность расчетов по предлагаемой модели подтверждена их согласованием с литературными экспериментальными данными. Для оценки эффективности пенной защиты решена аналогичная задача о распространении сферической ударной волны в воздухе при отсутствии пенного слоя. Показано, что наличие пенной преграды снижает скорость и амплитуду ударной волны, защищая стенки трубы от воздействия взрыва.

Ключевые слова

ударная волна; слой водной пены; численное моделирование; программный комплекс OpenFOAM.

Литература

1. Borisov, A.A. Shock Waves in Water Foams / A.A. Borisov, B.E. Gelfand, V.M. Kudinov, B.I. Palamarchuk // Acta Astronautica. - 1978. - V. 5, № 11/12. - P. 1027-1033.
2. Нигматулин, Р.И. Динамика многофазных сред. Ч. 1. / Р.И. Нигматулин. - М.: Наука, 1987.
3. Болотнова, Р.Х. Моделирование динамики ударного воздействия на водные пены с учетом вязкоупругих свойств и явлений синерезиса / Р.Х. Болотнова, Э.Ф. Гайнуллина // Известия Российской академии наук. Механика жидкости и газа. - 2020. - № 5. - С. 28-32.
4. Del Prete, E. Blast Wave Mitigation by Dry Aqueous Foams / E. Del Prete, A. Chinnayya, L. Domergue // Shock Waves. - 2013. - V. 23, № 1. - P. 39-53.
5. Bolotnova, R.Kh. Wave Dynamics and Vortex Formation Under the Impact of a Spherical Impulse on the Boundary Between Gas and Aqueous Foam / R.Kh. Bolotnova, E.F. Gainullina // Journal of Physics: Conference Series. - 2019. - V. 1268. - Article ID: 012015.
6. Ждан, С.А. Численное моделирование взрыва заряда ВВ в пене / С.А. Ждан // Физика горения и взрыва. - 1990. - Т. 26, № 2. - С. 103-110.
7. Tacconi, Z. Feasibility Analysis of a Two-Fluid Solver for Cavitation and Interface Capturing as Implemented in OpenFOAM. PhD Thesis. Milan / Z. Tacconi. - Milan, 2018.
8. Нигматулин, Р.И. Широкодиапазонное уравнение состояния воды и пара. Упрощенная форма / Р.И. Нигматулин, Р.Х. Болотнова // Теплофизика высоких температур. - 2011. - Т. 49, № 2. - С. 310-313.