Численное исследование влияния коагуляции капель на динамику двухфракционного аэрозоля в акустическом резонаторе

Исследование посвящено изучению влияния коагуляции капель дисперсной фазы на колебания аэрозоля в акустическом резонаторе. Математическая модель динамики аэрозоля реализует континуальную математическую модель динамики многофазной среды, учитывающей скоростную и тепловую неоднородность компонент смеси. Для описания динамики несущей среды применяется двухмерная нестационарная система уравнений Навье – Стокса для сжимаемого газа, записанная с учетом межфазного силового взаимодействия и межфазного теплообмена. Для описания динамики дисперсной фазы для каждой ее фракции решается система уравнений, включающая в себя уравнение неразрывности для «средней плотности» фракции, уравнения сохранения пространственных составляющих импульса и уравнение сохранения тепловой энергии фракции дисперсной фазы газовзвеси. Межфазное силовое взаимодействие включало в себя силу Архимеда, силу присоединенных масс и силу аэродинамического сопротивления. Также учитывался теплообмен между несущей средой – газом и каждой из фракций дисперсной фазы. Математическая модель динамики полидисперсного аэрозоля дополнялась математической моделью столкновительной коагуляции аэрозоля. Для составляющих скорости компонент смеси задавались однородные граничные условия Дирихле. Для остальных функций динамики многофазной смеси задавались однородные граничные условия Неймана. Уравнения решались явным методом Мак-Кормака со схемой нелинейной коррекции, позволяющей получить монотонное решение. В результате численных расчетов было определено, что вблизи генерирующего колебания поршня образуется область с повышенным содержанием крупнодисперсных частиц. Процесс коагуляции приводит к монотонному росту объемного содержания фракции крупнодисперсных частиц и монотонному уменьшению объемного содержания мел-кодисперсных частиц.

1. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред: в 2 ч. М.: Наука; 1987. Ч. 1. 464 с.

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

3. Федоров А.В., Фомин В.М., Хмель Т.А. Волновые процессы в газовзвесях частиц металлов. Новосибирск: Параллель; 2015. 301 c. ISBN: 978-5-98901-162-9

4. Стернин Л.Е., Маслов Б.Н., Шрайбер А.А., Подвысоцкий А.М. Двухфазные моно- и полидисперсные течения газа с частицами. М.: Машиностроение; 1980. 176 с.

5. Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.П., Худяков В.А. Термодинамические и теплофизические свойства продуктов сгорания: Справочник: в 6 т. М.: ВИ-НИТИ; 1971. Т. 1. Методы расчета. 267 с.

6. Тукмаков А.Л. Зависимость механизма дрейфа твердой частицы в нелинейном волновом поле от ее постоянной времени и длительности прохождения волновых фронтов. Прикладная механика и техническая физика. 2011;52(4):106−115.

7. Пахомов М.А., Терехов В.И. Влияние испарения капель на структуру течения и тепломассобмен в ограниченном закрученном газокапельном потоке за его внезапным расширение. Теплофизика и аэромеханика. 2018;6:865−875.

8. Федяев В.Л. Математическое моделирование и оптимизация градирен. Труды Академэнерго. 2009;3:91–107.

9. Волошин А.М., Салюков В.В., Громов В.С., Зарецкий Я.В., Серазетдинов Ф.Ш., Тонконог В.Г., Явкин В.Б., Голованов А.А. Разработка и создание устройств очистки транспортируемого газа. Газовая промышленность. 2010;1(641):73−75.

10. Тонконог В.Г., Баянов И.М., Тонконог М.И., Мубаракшин Б.Р. Технология газификации сжиженного природного газа. Инженерно-физический журнал. 2016;89(4):818−825.

11. Губайдуллин Д.А., Зарипов Р.Г., Ткаченко Л.А., Шайдуллин Л.Р. Динамика табачного дыма при резонансных колебаниях в закрытой трубе. Теплофизика высоких температур. 2019;57(2):312−315. https://doi.org/10.1134/S0040364419010125

12. Тукмаков А.Л., Баянов Р.И., Тукмаков Д.А. Течение полидисперсной газовзвеси в канале, сопровождающееся коагуляцией в нелинейном волновом поле. Теплофизика и аэромеханика. 2015;22(3):319−325.

13. Нигматулин Р.И., Губайдуллин Д.А., Тукмаков Д.А. Ударно-волновой разлет газовзвесей. Доклады Академии Наук. 2016;466(4):418−421. https://doi.org/10.7868/S0869565216040101

14. Тукмаков А.Л., Кашапов Н.Ф., Тукмаков Д.А., Фазлыйяхматов М.Г. Процесс осаждения заряженной полидисперсной газовзвеси на поверхность пластины в электрическом поле. Теплофизика высоких температур. 2018;56(4):500−504. https://doi.org/10.31857/S000523100002724-0

15. Флетчер К. Вычислительные методы в динамике жидкостей: в 2 т. М.: Мир; 1991. Т. 2. Методы расчета различных течений. 552 c. ISBN 5-03-001881-8

16. Музафаров И.Ф., Утюжников С.В. Применение компактных разностных схем к исследованию нестационарных течений сжимаемого газа. Матем. моделиро-вание. 1993;5(3):74−83.

17. Горелик Г.С. Колебания и волны. Введение в акустику, радиофизику и оптику.М.:ФИЗМАТГИЗ;1959. 572 с.

18. Красильников В.А., Крылов В.В. Введение в физическую акустику. М.: Наука; 1984. 403 с.