532.5+519.6 Математическое моделирование процессов ламинарной и турбулентной фильтрации жидкой несжимаемой среды в пористых сетчатых материалах
Городнов А. О. (АО ГНЦ "Центр Келдыша"), Лаптев И. В. (АО ГНЦ "Центр Келдыша"), Сидоренко Н. Ю. (АО ГНЦ "Центр Келдыша"/Московский физико-технический институт), Иванов М. Ю., Малахов А. С., Реш Г. Ф.
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ, ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ГИДРОДИНАМИКА, СИСТЕМА ИНЖЕНЕРНОГО АНАЛИЗА, МЕТОД КОНТРОЛЬНЫХ ОБЪЁМОВ, МЕТОД РЕШЁТОЧНЫХ УРАВНЕНИЙ БОЛЬЦМАНА (LBM), ПОРИСТЫЙ СЕТЧАТЫЙ МАТЕРИАЛ, ВЯЗКАЯ НЕСЖИМАЕМАЯ ЖИДКОСТЬ, ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ
doi: 10.18698/2309-3684-2023-2-6789
Рассмотрены вопросы математического моделирования трёхмерного ламинарного и турбулентного движения вязкой несжимаемой жидкости в многослойных проницаемых структурах – пористых сетчатых материалах. Каждый слой материала представляет собой тканую металлическую сетку с квадратными ячейками микронных размеров. Пористые сетчатые материалы широко применяются в космической, химической, нефтегазовой, атомной и других областях промышленности, например, в качестве гидравлических фильтров. Такие материалы обладают сложной внутренней структурой и многообразием возможных геометрических конфигураций. Поэтому в общем случае характер функциональной зависимости гидравлического сопротивления, которое образец материала оказывает потоку протекающей в его поровых каналах жидкости, от числа Рейнольдса не известен. Для определения этой зависимости у существующего материала, а также создания материала с заранее заданным гидравлическим сопротивлением, применялся инструментарий вычислительной гидродинамики. Использованы отечественная система инженерного анализа «Логос» и авторский программный код, разработанный в АО ГНЦ «Центр Келдыша». Методами контрольных объёмов на неструктурированной расчётной сетке для интегрирования уравнений Навье-Стокса и решёточных уравнений Больцмана определены физические параметры массопереноса жидкости в пористом материале фильтра и его гидравлическое сопротивление. Установлено, что использованные теоретические методики позволяют оценить «сверху» функциональную зависимость гидравлического сопротивления пористого сетчатого материала от числа Рейнольдса в диапазоне значений от 0,01 до 500. Для верификации математической модели изготовлена экспериментальная установка, с помощью которой выполнен цикл гидравлических проливок образца пористого сетчатого материала. Полученные численные решения согласуются с имеющимися аналитическими зависимостями, полученными в работах отечественных и зарубежных учёных, и результатами экспериментальных исследований.
Белов С.В., Витязь П.А., Шелег В.К. и др. Пористые проницаемые материалы. Москва, Металлургия, 1987, 333 с.
Третьяков А.Ф. Исследование влияния конструктивных и технологических параметров на удельную прочность пористых сетчатых материалов. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2017, № 12, с. 30-36.
Семенов Ю.П., Лозино-Лозинский Г.Е., Лапыгин В.Л., Тимченко В.А. и др. Многоразовый орбитальный корабль «Буран». Москва, Машиностроение, 1995, 448 с.
Багров В.В., Курпатенков А.В., Поляев В.М., Синцов А.Л., Сухоставец В.Ф. Капиллярные системы отбора жидкости из баков космических летательных аппаратов. Москва, УНПЦ «Энергомаш», 1997, 328 с.
Александров Л.Г., Константинов С.Б., Корольков А.В., Сапожников В.Б. Топливный бак с капиллярным внутрибаковым устройством космической двигательной установки. Вестник НПО имени С.А. Лавочкина, 2021, № 4, с. 15-21.
Сапожников В.Б., Крылов В.И., Новиков Ю.М., Ягодников Д.А. Наземная отработка капиллярных фазоразделителей на основе комбинированных пористо-сетчатых материалов для топливных баков жидкостных ракетных двигателей верхних ступеней ракет-носителей, разгонных блоков и космических аппаратов. Инженерный журнал: наука и инновации, 2013, № 4, с. 1-14.
Поляев В.М., Генбач А.А. Применение пористой системы в энергетических установках. Промышленная энергетика,1992, № 1, с. 40-43.
Москалев П.В., Шитов В.В. Математическое моделирование пористых структур. Москва, Физматлит, 2007, 120 с.
Armour J.C., Cannon J.N. Fluid Flow Through Woven Screens. AIChE Journal, 1968, vol. 14, no. 3, pp. 415-420.
Авраамов Н.И., Корольков А.В., Маслов В.А., Сапожников В.Б. Математическая модель комбинированного пористо-сетчатого материала как фазоразделителя. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение, 2019, № 3, с. 4-16. DOI: 10.18698/0236-3941-2019-3-4-16.
Спиридонов В.С., Новиков Ю.М., Большаков В.А. Эксплуатационные характеристики фильтровальных перегородок из проволочных сеток с ячейками микронных размеров. Безопасность в техносфере, 2013, № 6, с. 52-57.
Пелевин В.Ф. Гидравлическое сопротивление пористых металлов. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2016, № 2, с. 42-52.
Поляев В.М., Сухоставец В.Ф., Новиков А.В. Численное моделирование взаимодействия двухмерного потока вязкой несжимаемой жидкости с пористыми фазоразделителями. Вестник МГТУ. Сер. Машиностроение, 1992, № 3, с. 83-88.
Fischer A., Gerstmann J. Flow Resistance of Metallic Screens in Liquid, Gaseous and Cryogenic Flow. Materials of 5th European Conference for Aeronautics and Space Sciences (EUCASS), 2013, pp. 1-12.
Middelstadt F., Gerstmann J. Numerical Investigations on Fluid Flow through Metal Screens. Materials of 5th European Conference for Aeronautics and Space Sciences (EUCASS), 2013, pp. 1-15.
Bommisetty R.V.N., Joshi D.S., Kollati V.R. Flow Loss in Screens: A Fresh Look at Old Correlation. Journal of Mechanics Engineering and Automation, 2013, no. 3. pp. 29-34.
Лаптев И.В., Городнов А.О., Сидоренко Н.Ю., Реш Г.Ф., Иванов М.Ю., Малахов А.С. Компьютерное моделирование пространственных течений вязкой несжимаемой жидкости в проницаемых сетчатых материалах. Актуальные проблемы космонавтики: Труды XLVII академических чтений по космонавтике, посвящённых памяти академика С.П. Королёва и других выдающихся отечественных учёных-пионеров освоения космического пространства (23-27 января 2023 г.): сборник тезисов. Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2023 (в печати).
Димитриенко Ю.И., Богданов И.О. Многомасштабное моделирование процессов фильтрации жидкого связующего в композитных конструкциях, изготавливаемых методом RTM. Математическое моделирование и численные методы, 2017, № 2, с. 3–27.
Иванов М.Ю., Реш Г.Ф., Новиков А.Е., Куранов Е.Г. Способ отбора жидкости из ёмкости с использованием адаптивных инерционно-капиллярных устройств. Актуальные проблемы космонавтики: Труды XLII академических чтений по космонавтике, посвящённых памяти академика С.П. Королёва и других выдающихся отечественных учёных-пионеров освоения космического пространства (23-26 января 2018 г.). Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018, с. 421-422.
Ivanov M.Yu., Resh G.F. Theoretical Justification of Experimental Investigation of Gravity-Capillary Method for Gas-Liquid Mixtures Intake. Journal of Physics: Conference Series, 2019, vol. 1391, no. 012079. DOI: 10.1088/1742-6596/1391/1/012079.
Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление: справочное пособие. Москва, Энергоатомиздат, 1990, 367 с.
Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Том 6. Гидродинамика.Москва, Физматлит, 2001, 736 с.
Wilcox D.C. Turbulence Modelling for CFD. DCW Industries, 2006, 515 p.
Menter F.R. Zonal two equation k-ω turbulence models for aerodynamic flows. AIAA Paper, 1993, no. 93-2906, 21 p. DOI: 10.2514/6.1993-2906.
Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Статистическая физика.Том 5. Часть 1. Москва, «ООО Издательская фирма «Физико-математическая литература», 2001, 616 с.
Kruger T., Kusumaatmaja H., Kuzmin A. et al. The Lattice Boltzmann Method: Principles and Practice. Springer, 2017, 694 p.
Versteeg H.K., Malalasekera W. An introduction to computational fluid dy-namics. The finite volume method. New York, Wiley, 1995, 257 p.
Patankar S.V. Numerical Heat Transfer and Fluid Flow. New York, Hemisphere Publishing Corporation, 1980, 214 p.
Лашкин С.В., Козелков А.С., Мелешкина Д.П., Ялозо А.В., Тарасова Н.В. Моделирование течений вязкой несжимаемой жидкости разделенным и совмещенным алгоритмом типа SIMPLE. Математическое моделирование, 2016, Т. 28, № 6, с. 64-76.
Ferziger J.H. Computational Methods for Fluid Dynamics. Berlin, Springer, 2002,426 p.
Фирсов Д.М. Метод контрольного объема на неструктурированной сетке: учебное пособие. Томск, Издательский дом ТГУ, 2007, 72 с.
Huang H. et. al. Multiphase Lattice Boltzmann Methods: Theory and Application.John Willey & Sons, Ltd, 2015, 392 p.
Kupershtokh A.L., Medvedev D.A., Karpov D.I. On equations of state in a lattice Boltzmann method. Computers and Mathematics with Applications, 2009, vol. 58, no. 5, pp. 965-974.
Городнов А.О., Лаптев И.В., Сидоренко Н.Ю., Иванов М.Ю., Малахов А.С., Реш Г.Ф. Математическое моделирование процессов ламинарной и турбулентной фильтрации жидкой несжимаемой среды в пористых сетчатых материалах. Математическое моделирование и численные методы, 2023, № 2, с. 67–89.
Скачать статью
Количество скачиваний: 167