doi: 10.17586/2226-1494-2021-21-4-606-612


УДК 532.529

Численное исследование разлета смеси газа и частиц с осевой симметрией

Широкова Е.Н.


Читать статью полностью 
Язык статьи - русский

Ссылка для цитирования:

Широкова Е.Н. Численное исследование разлета смеси газа и частиц с осевой симметрией // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2021. Т. 21, № 4. С. 606–612. doi: 10.17586/2226-1494-2021-21-4-606-612



Аннотация
Предмет исследования. Представлены результаты исследования новых явлений, которые сопровождают свободный или ограниченный стенками разлет неравновесной по скоростям и температурам смеси газа и частиц различных размеров с осевой симметрией. Метод. Динамика газовзвеси рассмотрена в рамках взаимопроникающих континуумов калорически совершенного невязкого газа и несжимаемых монодисперсных сферических частиц. Использован эйлеров подход для описания движения каждой фазы смеси. Для численного моделирования реализован гибридный метод крупных частиц второго порядка аппроксимации по пространству и времени с нелинейной коррекцией искусственной вязкости, аддитивной комбинацией потоков и полунеявной схемой расчета межфазного трения и теплообмена. Работоспособность и точность метода для двумерной задачи с осевой симметрией подтверждена сравнением с решениями, полученными в одномерной постановке в цилиндрической системе координат. Основные результатыВ случае мелких частиц (с диаметром d = 0,1 мкм) время релаксации фаз много меньше характерного времени задачи, и газовзвесь ведет себя как гомогенная среда аналогично течению газа. Для крупных частиц (d = 20 мкм) проявляются эффекты различия инерционности фаз и неравновесности, связанные с несовпадением скоростей и температур газа и частиц. Следствием этих эффектов является расщепление начальной границы раздела сред на контактный разрыв в газовой фазе и поверхностью между взвесью и чистым газом (скачок пористости). На ранней стадии разлета скачок пористости отстает от положения контакта в несущей (газовой фазе). В последующие моменты времени картина течения меняется на противоположную, что объясняется торможением газа, возникновением обратного потока к центру разлета вследствие разрежения в окрестности оси симметрии и образованием вторичной ударной волны. Далее возникают колебания с учетом относительного изменения положения границ раздела фаз. При этом наблюдаются изломы траекторий газового контакта (разрыв первой производной), связанные с прохождением отраженной ударной волны от стенки и плоскости симметрии. С течением времени по причине бароклинной неустойчивости (несовпадения градиентов плотности и давления) на интерфейсных границах формируются вихревые структуры. В случае разлета газовзвеси в замкнутом объеме образуется сложная ударно-волновая структура, обусловленная многократными отражениями ударных волн от стенок и их взаимодействием с контактными поверхностями. Практическая значимость. Прикладное значение полученных результатов заключается в выявлении принципиальных физических эффектов, которые следует учитывать при постановке и решении задач в химических технологиях, пневмотранспорте и других областях. Приведенные численные решения могут быть полезны при проверке разрешающей способности других разностных схем по воспроизведению вихревой неустойчивости контактных границ и ударно-волновых структур в течениях релаксирующих газовзвесей.

Ключевые слова: разлет газовзвеси, численное моделирование, осевая симметрия, неравновесные эффекты, бароклинная неустойчивость

Список литературы
  1. Медведев С.П., Поленов А.И., Гельфанд Б.Е., Цыганов С.А.Воздушные УВ при внезапном расширении сжатой двухфазной среды насыпной плотности // Физика горения и взрыва. 1987. № 3. С. 135–139.
  2. Кутушев А.Г., Рудаков Д.А. Численное исследование параметров воздушных УВ при разлете расширяющегося слоя порошкообразной среды // Физика горения и взрыва. 1992. № 6. С. 105–112.
  3. Любарский С.Д., Иванов А.С. Движение сжатой двухфазной среды насыпной плотности при внезапном расширении // Физика горения и взрыва. 1989. № 3. С. 78–81.
  4. Ивандаев А.И., Кутушев А.Г., Рудаков Д.А. Численное исследование метания слоя порошка сжатым газом // Физика горения и взрыва. 1995. № 4. С. 63–70.
  5. Садин Д.В. Поведение нестационарной струи при истечении смеси газа высокого давления и дисперсной среды из цилиндрического канала в атмосферу // Прикладная механика и техническая физика. 1999. Т. 40. № 1. С. 151–157.
  6. Дэвис С.Л., Диттман Т.Б., Якобс Дж.Б., Дон В.С. Дисперсия облака частиц в ударной волне. Влияние формы, угла поворота и геометрических параметров облака на динамику потока и дисперсию // Прикладная механика и техническая физика. 2013. Т. 54. № 6. С. 45–59.
  7. Садин Д.В., Любарский С.Д., Гравченко Ю.А. Особенности недорасширенной импульсной импактной газодисперсной струи с высокой концентрацией частиц // Журнал технической физики. 2017. Т. 87. № 1. С. 22–26. https://doi.org/10.21883/JTF.2017.01.44013.1809
  8. Волков К.Н., Емельянов В.Н., Карпенко А.Г., Тетерина И.В. Влияние двумерных эффектов на взаимодействие ударной волны с облаком частиц // Вычислительные методы и программирование. 2020. Т. 21. № 3. С. 207–224. https://doi.org/10.26089/NumMet.v21r319
  9. Садин Д.В., Голиков И.О., Давидчук В.А. Моделирование взаимодействия ударной волны с ограниченным неоднородным слоем газовзвеси гибридным методом крупных частиц // Вычислительные методы и программирование. 2021. Т. 22. № 1. С. 1–13. https://doi.org/10.26089/NumMet.v22r101
  10. Садин Д.В., Гузенков В.О., Любарский С.Д. Численное исследование структуры нестационарной двухфазной тонкодисперсной струи // Прикладная механика и техническая физика. 2005. Т. 46. № 2. С. 91–97.
  11. Нигматулин Р.И., Губайдуллин Д.А., Тукмаков Д.А. Ударно-волновой разлет газовзвесей // Доклады Академии наук. 2016. Т. 466. № 4. С. 418–421. https://doi.org/10.7868/S0869565216040101
  12. Huilin L., Gidaspow D., Bouillard J., Wentie L. Hydrodynamic simulation of gas-solid flow in a riser using kinetic theory of granular flow // Chemical Engineering Journal. 2003. V. 95. N 1–3. P. 1–13. https://doi.org/10.1016/S1385-8947(03)00062-7
  13. Савельев Р.С., Розанов Н.Н., Сочилин Г.Б., Чивилихин С.А. Релей-Тейлоровская неустойчивость запыленного газа // Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики. 2011. № 3(73). С. 18–22.
  14. Садин Д.В., Давидчук В.А. Взаимодействие плоской ударной волны с областями различной формы и плотности в мелкодисперсной газовзвеси // Инженерно-физический журнал. 2020. Т. 93. № 2. С. 489–498.
  15. Toro E. Riemann Solvers and Numerical Methods for Fluid Dynamics. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 1997. 619 p.https://doi.org/10.1007/978-3-662-03490-3
  16. Liska R., Wendroff B. Comparison of several difference schemes on 1D and 2D test problems for the Euler equations // SIAM Journal on Scientific Computing. 2003. V. 25. N 3. P. 995–1017. https://doi.org/10.1137/S1064827502402120
  17. Брагин М.Д., Рогов Б.В. Гибридные бикомпактные схемы с минимальной диссипацией для уравнений гиперболического типа // Журнал вычислительной математики и математической физики. 2016. Т. 56. № 6. С. 958–972. https://doi.org/10.7868/S0044466916060090
  18. Liska R., Wendroff B. Composite centered schemes for multidimensional conservation laws // Hyperbolic Problems: Theory, Numerics, Applications. Springer, 1999. P. 661–670. (International Series of Numerical Mathematics, V. 130). https://doi.org/10.1007/978-3-0348-8724-3_17
  19. БулатП.В., ВолковК.Н. Модельные задач и газовой динамики, обладающие цилиндрической и сферической симметрией, и ихрешение при помощи WENO-схем// Инженерно-физический журнал. 2017. Т. 90. № 2. С. 438–449.
  20. Садин Д.В., Голиков И.О., Широкова Е.Н. Тестирование гибридного метода крупных частиц на двумерных задачах Римана // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки. 2021. Т. 14. № 1. С. 58–71. https://doi.org/10.18721/JPM.14104
  21. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред. Ч. 1. М.: Наука, 1987. 464 с.
  22. Садин Д.В. TVD-схема для жестких задач волновой динамики гетерогенных сред негиперболического неконсервативного типа // Журнал вычислительной математики и математической физики. 2016. Т. 56. № 12. С. 2098–2109. https://doi.org/10.7868/S0044466916120152
  23. Садин Д.В. Модификация метода крупных частиц до схемы второго порядка точности по пространству и времени для ударно-волновых течений газовзвеси // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Математическое моделирование и программирование. 2019. Т. 12. № 2. С. 112–122. https://doi.org/10.14529/mmp190209
  24. Садин Д.В., Давидчук В.А. Сравнение модифицированного метода крупных частиц с некоторыми схемами высокой разрешающей способности. Одномерные тесты // Вычислительные методы и программирование. 2019. Т. 20. № 2. C. 138–146.  https://doi.org/10.26089/NumMet.v20r214
  25. Садин Д.В. Анализ диссипативных свойств гибридного метода крупных частиц для структурно сложных течений газа // Компьютерные исследования и моделирование. 2020. Т. 12. № 4. С. 757–772. https://doi.org/10.20537/2076-7633-2020-12-4-757-772
  26. Садин Д.В. Приложение гибридного метода крупных частиц к расчету взаимодействия ударной волны со слоем газовзвеси // Компьютерные исследования и моделирование. 2020. Т. 12. № 6. С. 1323–1338. https://doi.org/10.20537/2076-7633-2020-12-6-1323-1338


Creative Commons License

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License
Информация 2001-2021 ©
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.
Все права защищены.

Яндекс.Метрика