Численное исследование распространения ударной волны из однородного газа в газовзвесь с периодическим распределением дисперсной фазы

  • Дмитрий Алексеевич Тукмаков Институт механики и машиностроения Казанского научного центра РАН, ул. Лобачевского, 2, 420111, г. Казань, Россия

Аннотация

Представлена численная модель распространения ударной волны в газовзвеси, реализующая континуальную методику моделирования динамики неоднородных сред (для каждого из компонентов смеси решается полная гидродинамическая система уравнений движения). Несущая среда описана как вязкий, сжимаемый, теплопроводный газ. В математической модели учтены обмен импульсом и теплообмен между компонентами смеси. Уравнения модели решены явным конечно-разностным методом Мак-Кормака. Для получения монотонного решения применена схема нелинейной коррекции. Рассмотрен процесс взаимодействия ударной волны, проходящей из однородного газа в газовзвесь. Принято, что дисперсная фаза в камере низкого давления имеет периодическое пространственное распределение концентрации. Определена связь между периодичностью распределения концентрации частиц и величиной перепада давления газа при прохождении ударной волны через газовзвесь. Проанализировано влияние интенсивности ударной волны на величину перепада давления газа при прохождении участков газовзвеси с циклически распределенной концентрацией дисперсной фазы.

Биография автора

Дмитрий Алексеевич Тукмаков, Институт механики и машиностроения Казанского научного центра РАН, ул. Лобачевского, 2, 420111, г. Казань, Россия

кандидат физико-математических наук; научный сотрудник лаборатории механики сплошной среды

 

Литература

  1. Loitsyanskii LG. Mekhanika zhidkosti i gaza [Mechanics of liquid and gas]. 7th edition. Moscow: Drofa; 2003. 840 p. (Klassiki otechestvennoi nauki). Russian.
  2. Nigmatulin RI. Osnovy mekhaniki geterogennykh sred [Fundamentals of mechanics of heterogeneous media]. Moscow: Nauka; 1978. 336 p. Russian.
  3. Deich ME, Filippov GA. Gazodinamika dvukhfaznykh sred [Gas dynamics of two-phase media]. 2nd edition. Moscow: Energoizdat; 1981. 472 p. Russian.
  4. Kiselev SP, Ruev GA, Trunev AP, Fomin VM, Shavaliev MSh. Udarno-volnovye protsessy v dvukhkomponentnykh i dvukhfaznykh sredakh [Shock-wave processes in two-component and two-phase media]. Shokin YuI, editor. Novosibirsk: Nauka; 1992. 261 p. Russian.
  5. Kutushev AG. Matematicheskoe modelirovanie volnovykh protsessov v aerodispersnykh i poroshkoobraznykh sredakh [Mathematical modeling of wave processes in aerodispersed and powdery media]. Saint Petersburg: Nedra; 2003. 284 p. Russian.
  6. Fedorov AV, Fomin VM, Khmel’TA. Volnovye protsessy v gazovzvesyakh chastits metallov [Wave processes in gas suspensions of metal particles]. Novosibirsk: Parallel’; 2015. 301 p. Russian.
  7. Deledicque V, Papalexandris MV. An exact Riemann solver for compressible two-phase flow models containing non-conservative products. Journal of Computational Physics. 2007;222(1):217–245. DOI: 10.1016/j.jcp.2006.07.025.
  8. Osiptsov AN, Rybdylova OD. [Focusing effect for aerosol particles behind a shock wave moving in a microchannel]. Doklady Akademii nauk. 2010;433(3):346–349. Russian. EDN: MTJKMH.
  9. Fomin PA, Chen J-R. [Effect of chemically inert particles on parameters and suppression of detonation in gases]. Fizika goreniya i vzryva. 2009;45(3):77–88. Russian. EDN: KPGYOP.
  10. Tropin DA, Lavruk SA. [Physicomathematical modeling of attenuation of homogeneous and heterogeneous detonation waves by clouds of water droplets]. Fizika goreniya i vzryva. 2022;58(3):80–90. Russian. DOI: 10.15372/FGV20220308.
  11. Nazarov UA. [Interruption of detonation wave propagation in monofuel – air mixtures by a layer of inhomogeneous inert particles]. Fizika goreniya i vzryva. 2021;57(6):65–76. Russian. DOI: 10.15372/FGV20210608.
  12. Zhilin AA, Fedorov AV. Application of the TVD scheme for the two-phase flow calculations at different component velocities and pressures. Matematicheskoe modelirovanie. 2008;20(1):29–47. Russian.
  13. Volkov KN, Emelyanov VN, Karpenko AG, Teterina IV. Simulation of unsteady gas – particle flow induced by the shock-wave interaction with a particle layer. Vychislitel’nye metody i programmirovanie. 2020;21(1):96–114. Russian. DOI: 10.26089/NumMet.v21r109.
  14. Sadin DV. Application of a hybrid large-particle method to the computation of the interaction of a shock wave with a gas suspension layer. Computer Research and Modeling. 2020;12(6):1323–1338. Russian. DOI: 10.20537/2076-7633-2020-12-6-1323-1338.
  15. Mazepa EE, Kusainov PI, Lukashov OYu, Kraynov AYu. On the numerical solution to the problem of air shock wave propagation in mine workings. Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo universiteta. Matematika i mekhanika. 2020;64:108–120. Russian. DOI: 10.17223/19988621/64/8.
  16. Utkin PS. [Mathematical modeling of the interaction of a shock wave with a dense backfill of particles within the framework of a two-fluid approach]. Khimicheskaya fizika. 2017;36(11):61–71. Russian. DOI: 10.7868/S0207401X17090151.
  17. Poroshina YaE, Lopato AI, Utkin PS. [Characteristic analysis of the dynamics of shock wave propagation in a medium with an uneven density distribution]. Khimicheskaya fizika. 2022;41(8):48–58. Russian. EDN: LTTGKD.
  18. Khmel T, Lavruk S. Detonation flows in aluminium particle gas suspensions, inhomogeneous in concentrations. Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2021;72:104522. DOI: 10.1016/j.jlp.2021.104522.
  19. Huang Z, Zhang H. On the interactions between a propagating shock wave and evaporating water droplets. Physics of Fluids. 2020;32(12):123315. DOI: 10.1063/5.0035968.
  20. Tukmakov AL. [Numerical simulation of oscillations of a monodisperse gas – particle mixture in a nonlinear wave field]. Prikladnaya mekhanika i tekhnicheskaya fizika. 2011;52(2):36–43. Russian. EDN: NRCZJD.
  21. Gubaidullin DA, Tukmakov DA. Numerical study of shock-wave dynamics in a gas suspension. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Aviatsionnaya tekhnika. 2013;2:38–42. Russian. EDN: STGIHV.
  22. Gubaidullin DA, Tukmakov DA. Influence of the disperse phase properties on characteristics of the shock wave passing the direct shock from pure gas in the gas mixture. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Aviatsionnaya tekhnika. 2017;3:128–132. Russian. EDN: ZNEAZH.
  23. Gubaidullin DA, Tukmakov DA. Numerical research of evolution of the shock wave in gas – particles suspension with account uneven distribution of particles. Matematicheskoe modelirovanie. 2014;26(10):109–119. Russian.
  24. Nigmatulin RI, Gubaidullin DA, Tukmakov DA. Shock wave dispersion of gas – particle mixtures. Doklady Akademii nauk. 2016;466(4):418–421. Russian. DOI: 10.7868/S0869565216040101.
  25. Tukmakov DA. Comparison of the physical experiment of the gas oscillations in the acoustic resonator with numerical calculations. Journal of Physics: Conference Series. 2019;1328:012087. DOI: 10.1088/1742-6596/1328/1/012087.
  26. Fletcher CAJ. Computational techniques for fluid dynamics. Volume 2, Specific techniques for different flow categories. Berlin: Springer-Verlang; 1988. XI, 484 p. (Armand J-L, Holt M, Hut P, Keller HB, Killeen J, Orszag SA, et al., editors. Springer series in computational physics). Russian edition: Fletcher C. Vychislitel’nye metody v dinamike zhidkostei. Tom 2, Metody rascheta razlichnykh techenii. Kamenetskii VF, translator; Turchak LI, editor. Moscow: Mir; 1991. 552 p.
  27. Kovenya VM, Tarnavskii GA, Chernyi SG. Primenenie metoda rasshchepleniya v zadachakh aerodinamiki [Application of the splitting method in aerodynamics problems]. Shokin YuI, editor. Novosibirsk: Nauka; 1990. 246 p. Russian.
  28. Muzafarov IF, Utyuzhnikov SV. Application of compact difference schemes to investigation of unstationary gas flows. Matematicheskoe modelirovanie.1993;5(3):74–83. Russian.
Опубликован
2024-04-04
Ключевые слова: монодисперсная газовзвесь, взаимопроникающие континуумы, явная схема Мак-Кормака, ударные волны
Поддерживающие организации Работа выполнена в рамках государственного задания Казанского научного центра РАН «Развитие механики многофазных и аэрогидроупругих систем, оболочечных конструкций с приложениями в машиностроении и нефтедобыче»
Как цитировать
Тукмаков, Д. А. (2024). Численное исследование распространения ударной волны из однородного газа в газовзвесь с периодическим распределением дисперсной фазы. Журнал Белорусского государственного университета. Математика. Информатика, 1, 16-28. Доступно по https://journals.bsu.by/index.php/mathematics/article/view/5831
Выпуск
№ 1 (2024): Журнал Белорусского государственного университета. Математика. Информатика
Раздел
Теоретическая и прикладная механика

Copyright (c) 2024 Журнал Белорусского государственного университета. Математика. Информатика

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.

Авторы, публикующиеся в данном журнале, соглашаются со следующим:

  1. Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и предоставляют журналу право первой публикации работы на условиях лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial. 4.0 International (CC BY-NC 4.0).
  2. Авторы сохраняют право заключать отдельные контрактные договоренности, касающиеся неэксклюзивного распространения версии работы в опубликованном здесь виде (например, размещение ее в институтском хранилище, публикацию в книге) со ссылкой на ее оригинальную публикацию в этом журнале.
  3. Авторы имеют право размещать их работу в интернете (например, в институтском хранилище или на персональном сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению и большему количеству ссылок на данную работу. (См. The Effect of Open Access).