621.454.2 Численное моделирование гидравлических характеристик пористых сетчатых материалов
Королева А. П. (Научно-технологический университет "Сириус"), Минин С. В. (Научно-технологический университет "Сириус"), Городнов А. О. (АО ГНЦ "Центр Келдыша"), Лаптев И. В. (АО ГНЦ "Центр Келдыша"), Петрова С. В. (АО ГНЦ "Центр Келдыша")
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ, ПОРИСТЫЕ СЕТЧАТЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ, АВТОМАТИЗАЦИЯ РАСЧЕТОВ
doi: 10.18698/2309-3684-2026-1-2248
В работе представлена автоматизированная методика определения гидравлических характеристик пористых сетчатых материалов (ПСМ) методами компьютерного моделирования. Предложенный подход включает параметризованные геометрические модели ПСМ различного типа плетения, способ формирования дискретной модели, расчетного варианта, а также автоматизацию проведения гидродинамических расчетов и обработку результатов. Проведено исследование корректности допущений, принятых в рамках методики, включая анализ типов и параметров пятен контакта нитей идеализованной геометрии, размера представительных элементов. Выполнено сопоставление результатов расчета с экспериментальными данными из открытой литературы. Показано, что для различных типов ПСМ разработанная методика обеспечивает точность расчёта перепада давления в пористом сетчатом материале на уровне 6–17 % в диапазоне чисел Рейнольдса, соответствующем вязкостному и инерционному режимам течения и 35 % на переходных режимах течения. Проведено сопоставление результатов моделирования по предложенной методике с расчетами по известным из литературы обобщающими опытные данные зависимостями и теоретическими моделями. Показано, что максимальное относительное отклонение от валидационных данных в рамках предложенных подходов более чем в два раза ниже, чем при расчете с применением аналитических соотношений. Результаты исследования подтверждают применимость и эффективность предложенных в работе подходов для решения как исследовательских, так и практических задач.
[1] Багров В.В., Курпатенков А.В., Поляев В.М., Синцов А.Л., Сухоставец В.Ф. Капиллярные системы отбора жидкости из баков космических аппаратов. Москва, УНПЦ «ЭНЕРГОМАШ», 1997, 328 с.
[2] Белов С.В. и др. Пористые проницаемые материалы: Справ. Изд. Москва, Металлургия, 1987, 335 с.
[3] Сетка тканная с квадратными ячейками микронных размеров. Технические условия ТУ 14-4-507-99.
[4] Сетка тканная фильтровая № 685. Технические условия ТУ 14-4-697-2001.
[5] Александров Л.Г., Константинов С.Б., Платов И.В., Новиков Ю.М, Большаков В.А., Партола И.С. Применение комбинированных пористо-сетчатых материалов в конструкциях фазоразделительных и фильтрующих устройств космических жидкостных ракетных двигательных установок: современное состояние и проблемы. Инженерный журнал: наука и инновации, 2023, № 3, c. 22-59.
[6] Cady E. Study of Thermodynamic Vent and Screen Baffle Integration for Orbital Storage and Transfer of Liquid Hydrogen. Mc Donnal Douglas Astronautics Company and National Aeronautics and Space Administration, 1973.
[7] Shukla, P., Dreyer, M. Phase Separation through Screen Channel Liquid Acquisition Devices in Microgravity. Microgravity Sci. Technol, 2024, vol. 36, pp. 1-24.
[8] Bisht K.S., Dreyer M.E. Phase Separation in Porous Media Integrated Capillary Channels. Microgravity Sci. Technol. 2020, vol. 32, pp. 1001-1018.
[9] Camarotti C., Deng O., Darr S., Hartwig J., Chung J.N. Screen Compliance Experiments for Application of Liquid Acquisition Device in Space. Microgravity Sci. Technol, 2019, vol. 31, pp. 109-122.
[10] Поляев В.М., Генбач А.А. Применение пористой системы в энергетических установках. Промышленная энергетика, 1992, № 1, с. 40-43.
[11] Glatt E., Rief S., Wiegmann A., Knefel N., Wegenke E. Structure and pressure drop of real and virtual metal wire meshes. Filtration, 2010, vol. 10, no. 1.
[12] Kraft S.M., Moslehy F.A., Bai Y., Gordon A.P. Characterization of the Orthotropic Elastic Constants of a Micronic Woven Wire Mesh via Digital Image Correlation. Experimental Mechanics, 2014, vol. 54, pp. 501-514.
[13] Armour J.C., Cannon J.N. Fluid Flow Through Woven Screens. AIChE Journal, 1968, vol. 14, no. 3, pp. 415–420.
[14] Fischer A., Gerstmann J. Flow Resistance of Metallic Screens in Liquid, Gaseous and Cryogenic Flow. EUCASS, Munich, Germany, 2013, 12 p.
[15] E. Wang, Guang Yang, Yiye Huang, Yonghua Huang, Rui Zhuan, Jingyi Wu, Analytical model of flow-through-screen pressure drop for metal wire screens considering the effects of pore structures. Chemical Engineering Science, 2021, vol. 229, art. 116037.
[16] Devisilov V., Zhdanov S., Belov S. Hydaulic Resistance of Woven Metal Screens. New Machinery and Equipment, 1989, p. 449 – 452.
[17] Iwaniszyn M., Sindera K., Gancarczyk G., Korpy´s M., Jędrzejczyk R.J., Kołodziej A., Jodłowski P.J. Experimental and CFD investigation of heat transfer and flow resistance in woven wire gauzes. Chemical Engineering & Processing: Process Intensification, 2021, vol. 163, art. 108364.
[18] Ludewig M., Omori S., Rao G.L. Pressure drop across woven screens under uniform and nonuniform flow conditions. NASA-CR-120559, 1974, ID 19750005995.
[19] Azizi F. On the pressure drop of fluids through woven screen meshes. Chemical Engineering Science, 2019, vol. 207, pp. 464-478.
[20] Bussiere W., Rochette D., Clain S., Andre P., Renard J.B. Pressure drop measurements for woven metal mesh screens used in electrical safety switchgears. International Journal of Heat and Fluid Flow, 2017, vol. 65, pp. 60–72.
[21] Burge G.W., Blackmon J.B. Study and design of cryogenic propellant acquisition systems. Volume 2: Supporting experimental program. NASA-27685 MDAC Report MDCG 5038, 1973, ID 19740021092.
[22] Hartwig J. W. et al. A steady state pressure drop model for screen channel liquid acquisition devices. Cryogenics, 2014, vol. 64, pp. 260-271.
[23] Kołodziej A. et al. An experimental study of the pressure drop in fluid flows through wire gauzes. Chemical Engineering Communications, 2009, vol. 196, № 8, pp. 932-949.
[24] Пелевин Ф. В. Гидравлическое сопротивление пористых металлов. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2016, № 2(671), c. 42-52.
[25] Ergun S. Fluid Flow through Packed Columns. Chemical Engineering Progress, 1952, vol. 48, pp. 89-94.
[26] Wu W. T., Liu J. F., Li W. J., Hsieh W. H. Measurement and correlation of hydraulic resistance of flow through woven metal screens. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2005, vol. 48, no. 14, pp. 3008-3017.
[27] Green S.I, Wang Z., Waung T., Vakil A. Simulation of the flow through woven fabrics. Computers & Fluids, 2008, vol, 37, pp. 1148–1156.
[28] 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.
[29] Zhi Z., Chen H., Longtin J. P., Alkhader M., Venkatesh T. A. Computational modeling of through-thickness flow and pressure drop characteristics in woven matrix porous media. International Journal of Modelling and Simulation, 2019.
[30] Zhou Y., Guo C., Guo W., Zhu Q., Zhang P. Investigation of flow and pressure drop through porous metallic screens with different weave densities. Cryogenics, 2023, vol. 129, art. 103618.
[31] Abou-Hweij W., Azizi F. CFD simulation of wall-bounded laminar flow through screens. Part I: Hydrodynamic characterization. European Journal of Mechanics. B Fluids, 2020, vol. 84, pp. 207–232.
[32] Yoshida Y., Inoue Y., Shimosaka A., Shirakawa Y. and Hidaka J. Numerical Simulation of Flow Resistivity of Metal Woven Mesh. Journal of Chemical Engineering of Japan, 2015, vol. 48, no. 7, pp. 545–555.
[33] 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, c. 67–89.
[34] Okolo P.N., Zhao K., Kennedy J., Bennett G.J. Numerical assessment of flow control capabilities of three dimensional woven wire mesh screens. European Journal of Mechanics. B Fluids, 2019, vol. 76, pp. 259–271.
[35] Launder B.E., Spalding D.B. The numerical computation of turbulent flows. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 1974, vol. 3, no. 2, pp. 269-289.
[36] Menter F.R. Zonal two equation k-ω turbulence models for aerodynamic flows. Fluid Flow and Transfer Processes, 1993, art. no. 2906, 22 p.
[37] Spalart P.R., Allmaras S.R. A One-Equation Turbulence Model for Aerodynamic Flows. 30th Aerospace Sciences Meeting & Exhibit, 1992, 23 p.
[38] 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.
[39] Пакет программ Логос [Электронный ресурс]. Пакет программ Логос. URL: http://logos-cae.ru
[40] Димитриенко Ю.И., Богданов И.О. Многомасштабное моделирование процессов фильтрации в пористых средах. Инженерный журнал: наука и инновации, 2018, № 3(75), с. 17-38.
Королева А.П., Минин С.В., Городнов А.О., Лаптев И.В., Петрова С.В. Численное моделирование гидравлических характеристик пористых сетчатых материалов. Математическое моделирование и численные методы, 2026, № 1, с. 22–48.
Результаты получены при финансовой поддержке, реализуемой в рамках государственной программы федеральной территории «Сириус» «Научно-технологическое развитие федеральной территории «Сириус» (Соглашение №3-03 от 18.02.2025)
Скачать статью
Количество скачиваний: 23