Численное исследование влияния коагуляции на динамику двухфракционной газовзвеси

Работа посвящена математическому моделированию динамики взвешенных в газе твердых или жидких дисперсных включений - газовзвесей. В исследовании численно моделировалась динамика газовзвеси в канале с учетом и без учета эффекта коагуляции дисперсных включений. Предполагалось, что в канале движется запыленная среда, через боковую поверхность канала происходит вдув капельных фракций, коагулирующих с дисперсными включениями запыленной среды. В работе представлена математическая модель, реализующая континуальную методику моделирования динамики многофазных сред, которая предполагает решение полной системы уравнений динамики для каждой из фаз смеси. Несущая среда описывалась как вязкий сжимаемый и теплопроводный газ. Также учитывался межфазный обмен импульсом и межфазный теплообмен. На границах расчетной области, моделируемых как твердые поверхности задавались однородные граничные условия Дирихле для составляющих скорости несущей среды и дисперсной фазы. Дисперсная фаза газовзвеси описывалась как многофракционная, фракции которой отличаются размером дисперсных включений и плотностью материала частиц. Математическая модель предполагала учет взаимодействия между частицами, через поглощение более крупными частицами более мелких частиц за счет столкновителной коагуляции. Сопоставление результатов с учетом и без учета эффекта коагуляции капельной и пылевой фракции газовзвеси демонстрирует, что отсутствие учета эффекта коагуляции оказывает существенное влияние как на распределение концентраций фракций газовзвеси, так и на физические поля фракций и несущей среды.

Ключевые слова

численное моделирование; континуальная модель динамики многофазной среды; межфазное взаимодействие; полидисперсная газовзвесь.

Литература

1. Нигматулин, Р.И. Основы механики гетерогенных сред / Р.И. Нигматулин. - М.: Наука, 1978.
2. Дейч, М.Е. Газодинамика двухфазных сред / М.Е. Дейч, Г.А. Филиппов. - М.: Энергоиздат, 1981.
3. Киселев, C.П. Ударно-волновые процессы в двухкомпонентлых и двухфазных средах / C.П. Киселев, Г.А. Руев, А.П. Трунев, В.М. Фомин, М.Ш. Шавалеев. - Новосибирск: Наука, 1992.
4. Кутушев, А.Г. Математическое моделирование волновых процессов в аэродисперсных и порошкообразных средах / А.Г. Кутушев. - СПб.: Недра, 2003.
5. Федоров, А.В. Волновые процессы в газовзвесях частиц металлов / А.В. Федоров, В.М. Фомин, Т.А. Хмель. - Новосибирск: Параллель, 2015.
6. Кильдибаева, С.Р. Трехмерная визуализация модели течения многофазной затопленной струи / С.Р. Кильдибаева, Э.И. Харисов // Вестник ЮУрГУ. Серия: Математическое моделирование и программирование. - 2023. - Т. 16, № 1. - С. 69-80.
7. Крайко, А.Н. Математические модели для описания течений газа и инородных частиц и нестационарной фильтрации жидкости и газа в пористых средах / А.Н. Крайко // Вестник ЮУрГУ. Серия: Математическое моделирование и программирование. - 2014. - Т. 7, № 1. - С. 34-48.
8. Садин, Д.В. Модификация метода крупных частиц до схемы второго порядка точности по пространству и времени для ударно-волновых течений газовзвеси / Д.В. Садин // Вестник ЮУрГУ. Серия: Математическое моделирование и программирование. - 2019. - Т. 12, № 2. - С. 112-122.
9. Ковалев, Ю.М. Математическая модель газовзвеси с химическими превращениями в приближении парных взаимодействий / Ю.М. Ковалев, Е.Е. Пигасов // Вестник ЮУрГУ. Серия: Математическое моделирование и программирование. - 2014. - Т. 7, № 3. - С. 40-49.
10. Болотнова, Р.Х. Моделирование динамики ударного импульса в трубе с внутренним слоем водной пены / Р.Х. Болотнова, Э.Ф. Гайнуллина // Вестник ЮУрГУ. Серия: Математическое моделирование и программирование. - 2021. - Т. 14, № 1. - С. 118-125.
11. Клиначева, Н.Л. Ослабление сферических ударных волн в гетерогенных средах / Н.Л. Клинчева, Ю.М. Ковалев // Вестник ЮУрГУ. Серия: Математическое моделирование и программирование. - 2017. - Т. 10, № 4. - С. 35-45.
12. Магазов, Ф.Г. Математическое моделирование возможных механизмов образования горячих точек / Ф.Г. Магазов, Е.С. Шестаковская // Вестник ЮУрГУ. Серия: Математическое моделирование и программирование. - 2018. - Т. 11, № 4. - С.154-160.
13. Суров, В.С. К расчету методом Годунова многомерных течений многоскоростной гетерогенной среды / В.С. Суров // Математическое моделирование. - 2017. - Т. 29, № 3. - С. 29-41.
14. Пахомов, M.A. Применение эйлерова подхода при моделировании структуры течения в восходящем монодисперсном пузырьковом потоке в трубе / M.A. Пахомов, В.И. Терехов // Прикладная механика и техническая физика. - 2016. - Т. 57, № 3. - С. 49-59.
15. Тимофеева, М.В. Влияние коагуляции капель воды на их распределение по размерам в рабочей части аэрохолодильной установки / М.В. Тимофеева // Журнал технической физики. - 2019. - Т. 89, № 4. - С. 491-496.
16. Вараксин, А.Ю. О влиянии вдува газа на защиту поверхностей тел, обтекаемых двухфазным потоком / А.Ю. Вараксин, М.В. Протасов // Теплофизика высоких температур. - 2017. - № 6. - С. 785-788.
17. Лаптев, А.Г. Математическая модель и теплогидравлические характеристики насадочных скрубберов конденсационного охлаждения газа / А.Г. Лаптев, Е.А. Лаптева // Инженерно-физический журнал. - 2022. - Т. 95, № 1. - С. 259-266.
18. Макаров, В.Н. Повышение эффективности пылеулавливания / В.Н. Макаров, А.В. Угольников, Н.В. Макаров, Г.А. Боярских // Горный журнал. - 2022. - № 8. - С. 62-70.
19. Ahmed, S. Investigation of Dust Particle Removal Efficiency of Self-Priming Venturi Scrubber Using Computational Fluid Dynamics / S. Ahmed, M. Hassan, Q. Kamran, S. Ajmal, S. Waseem, W. Khalid, I. Naseem, A. Masroor, F. Amjad // Nuclear Engineering and Technology. - 2018. - V. 50, № 5. - P. 665-672.
20. Safdar, I. Numerical Simulation of Particulate Removal Efficiency in Venturi Scrubber / I. Safdar, K. Abdullah, A. Majid, M. Ammar // 2017 - 13th International Conference on Emerging Technologies (ICET). - Islamabad, 2017. - P. 1-6.
21. Horiguchi, N. Numerical Simulation of Two-Phase Flow Behavior in Venturi Scrubber by Interface Tracking Method / N. Horiguchi, H. Yoshida, Y. Abe // Nuclear Engineering and Design. - 2016. - V. 310. - P. 580-586.
22. Othmana, N. Simulation Study on Liquid Droplet Size Measurement inside Venturi Scrubber / N. Othmana, S. Dhalywalab // Journal of Engineering. - 2020. - V. 32, № 2. - P. 239-246.
23. Bal, M. Hydrodynamic Study and Particulate Matter Removal in a Self Priming Venturi Scrubber / M. Bal, I. Behera, U. Kumari, S. Biswas, B. Meikap // Environmental Technology and Innovation. - 2020. - V. 20. - Article ID: 101167. - 20 p.
24. Хмелев, В.Н. Моделирование процесса мокрой очистки газов с наложением ультразвуковых полей / В.Н. Хмелев, А.В. Шалунов, Р.С. Доровских, В.А. Нестеров, Р.Н. Голых // Южно-Сибирский научный вестник. - 2017. - Т. 20, № 4. - С. 57-63.
25. Алемасов, В.Е. Термодинамические и теплофизические свойства продуктов сгорания / В.Е. Алемасов, А.Ф. Дрегалин, А.П. Тишин, В.А. Худяков. - М.: Издательство ВИНИТИ, 1971.
26. Тукмаков, А.Л. Динамика коагулирующей полидисперсной газовзвеси в нелинейном волновом поле акустического резонатора / А.Л. Тукмаков // Инженерно-физический журнал. - 2015. - Т. 88, № 1. - С. 11-19.
27. Нигматулин, Р.И. Ударно-волновой раздет газовзвесей / Р.И. Нигматулин, Д.А. Губайдуллин, Д.А. Тукмаков // Доклады академии наук. - 2016. - Т. 466, № 4. - С. 418-421.
28. Tukmakov, D.A. Numerical Simulation of Oscillations of Aerosol with a Low Dispersed Phase Concentration in a Closed Tube by the Continuum Mathematical Model / D.A. Tukmakov // Technical Physics. - 2023. - V. 67, № 12. - P. 764-770.
29. Губайдуллин, Д.А. Численное исследование эволюции ударной волны в газовзвеси с учетом неравномерного распределения частиц / Д.А. Губайдуллин, Д.А. Тукмаков // Математическое моделирование. - 2014. - Т. 26, № 10. - С. 109-119.
30. Тукмаков, А.Л. Течение полидисперсной газовзвеси в канале, сопровождающееся коагуляцией в нелинейном волновом поле / А.Л. Тукмаков, Р.И. Баянов, Д.А. Тукмаков // Теплофизика и аэромеханика. - 2015. - Т. 22, № 3. - С. 319-325.
31. Tukmakov, D.A. Investigation of the Grid Convergence of a Finite-Difference Model of the Dynamics of an Electrically Charged Gas Suspension / D.A. Tukmakov // 2024 - 6th International Youth Conference on Radio Electronics, Electrical and Power Engineering (REEPE). - Moscow, 2024. - P. 1-6.
32. Флетчер, К. Вычислительные методы в динамике жидкостей / К. Флетчер. - М.: Мир, 1991.
33. Музафаров, И.Ф. Применение компактных разностных схем к исследованию нестационарных течений сжимаемого газа / И.Ф. Музафаров, С.В. Утюжников // Математическое моделирование. - 1993. - Т. 5, № 3. - С. 74-83.
34. Тукмаков, А.Л. Численное моделирование процесса волновой сепарации твердых частиц при резонансных колебаниях газа в закрытой трубе / А.Л. Тукмаков // Акустический журнал. - 2009. - Т. 55, № 3. - С. 342-349.