51-72.533 Численное моделирование колебаний коагулирующей двухфракционной газовзвеси в акустическом резонаторе
Тукмаков А. Л. (ФИЦ КазНЦ РАН), Тукмаков Д. А. (ФИЦ КазНЦ РАН), Ахунов А. А. (Казанский национальный исследовательский технологический университет)
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВНИЕ, МНОГОФАЗНЫЕ СРЕДЫ, КОАГУЛЯЦИЯ
doi: 10.18698/2309-3684-2026-2-6685
Одной из наиболее эффективных технологий очистки газа от дисперсных примесей является жидкостная очистка, обусловленная неспособностью инерционных сепараторов улавливать мелкодисперсные частицы. В связи с этим возникает проблема повышения эффективности очистки газодисперсных сред указанным способом. Одним из направлений решения данной задачи является укрупнение размера дисперсных включений с помощью коагуляции мелкодисперсных и крупных капель. В рамках оптимизации технологий жидкостной очистки задача возникает задача исследования процессов коагуляции в том, числе коагуляции дисперсных частиц в акустических полях. Для описания течения многофазной среды применялась континуальная методика моделирования динамики неоднородных сред, в которой предполагалось решение полной гидродинамической системы уравнений движения для каждой из компонент смеси. Дисперсная фаза моделировалась как многофракционная полидисперсная, где фракции отличались плотностью материала и размером дисперсных включений. Учитывался межфазный теплообмен и обмен импульсом, включавший в себя силу аэродинамического сопротивления, динамическую силу Архимеда и силу присоединенных масс. Динамика несущей среды описывалась системой уравнений Навье – Стокса для вязкого, сжимаемого теплопроводного газа. Математическая модель учитывала столкновительную коагуляцию частиц различных фракций. Система уравнений математической модели дополнялась граничными условиями. Для интегрирования уравнений применялся явный конечно-разностный метод, для преодоления численных осцилляций – схема нелинейной коррекции. В работе моделировались процессы коагуляции капель двухфракционного аэрозоля в акустическом резонаторе на частоте первого линейного резонанса. Представлены временные зависимости для скорости и средней плотности фракций дисперсной фазы.
[1] Нигматулин Р. И. Основы механики гетерогенных сред. Москва, Наука, 1978, 336 с.
[2] Кутушев А.Г. Математическое моделирование волновых процессов в аэродисперсных и порошкообразных средах. Санкт-Петербург, Недра, 2003, 284 с.
[3] Волков К. Н., Емельянов В.Н. Течения газа с частицами. Москва, ФИЗМАТЛИТ, 2008, 598 с.
[4] Федоров А.В., Фомин В.М., Хмель Т.А. Волновые процессы в газовзвесях частиц металлов. Новосибирск, Параллель, 2015, 301 c.
[5] Вараксин А.Ю. Двухфазные потоки с твердыми частицами, каплями и пузырями: проблемы и результаты исследований (обзор). Теплофизика высоких температур, 2020, т. 58, № 4, c. 646-669.
[6] Wu L., Lei S., Wang Y., Yang S., Lin X., Wang H. A highly efficient biomass compound aerosol suppressant in purifying radioactive cesium droplet aerosols. Molecules, 2022, vol. 27, no. 19, art. 6480.
[7] Сулимов В.Д., Шкапов П.М. Гибридные методы вычислительной диагностики двухфазного потока в циркуляционном контуре. Математическое моделирование и численные методы, 2015, № 3 (7), c. 68-88.
[8] Волков К.Н. Нестационарное турбулентное течение газовзвеси в канале при наличии вдува в условиях вынужденных колебаний давления. Прикладная механика и техническая физика, 2013, т. 54, № 2 (318), c. 65-80.
[9] Федюшкин А.И., Рожков А.Н. Моделирование коалесценции капель. Математическое моделирование и численные методы, 2020, № 2 (26), c. 46-58.
[10] Лаптева Е.А., Лаптев А.Г., Аласгарли С.У. Математическая модель кон-тактного охлаждения и очистки от дисперсной фазы газов в насадочных скрубберах. Теоретические основы химической технологии, 2022, т. 56, № 2, c. 244-251.
[11] Шрайбер А.А., Фединчик И.В., Протасов М.В. О влиянии турбулентности газового потока на эффективность улавливания частиц в скруббере Вентури. Теплофизика высоких температур, 2015, т. 53, № 1, c. 85-90.
[12] Макаров В.Н., Угольников А.В., Макаров Н.В., Антропов Л.А. Выбор па-раметров высоконапорных гидровихревых форсунок для пылеподавления. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, 2022, № 1, c. 102-111.
[13] Косарев Н.П., Макаров В.Н., Угольников А.В., Макаров Н.В., Дылдин Г.П. Шахтная аэрология пылевых аэрозолей в условиях гидровихревой коагуляции. Известия Уральского государственного горного университета, 2020, № 4 (60), c. 155-165.
[14] Suresh V., Liu Z., Perry Z., Gopalakrishnan R. Modeling particle-particle binary coagulation rate constants for spherical aerosol particles at high volume fractions using langevin dynamics simulations. Journal of Aerosol Science, 2022, vol. 164, №5, art. 106001.
[15] Zhou D., Liu X., Yang S., Hou Y., Zhong X. Collision dynamics of two liquid nitrogen droplets under a low-temperature condition. Cryogenics, 2022, vol. 124, art. 103478.
[16] Amanbaev T.R., Tilleuov G.E., Zuparbekova A. Mathematical modeling of dispersed media flows in the presence of nucleation, coagulation and phase transitions. Bulletin of the Karaganda University. Physics Series, 2021, vol. 102, № 2, pp. 14-24.
[17] Хмелев В.Н., Шалунов А.В., Доровских Р.С., Нестеров В.А., Голых Р.Н. Моделирование процесса мокрой очистки газов с наложением ультразвуковых полей. Южно-Сибирский научный вестник, 2017, № 4 (20), c. 57-63.
[18] Тимофеева М.В. Влияние коагуляции капель воды на их распределение по размерам в рабочей части аэрохолодильной установки. Журнал технической физики, 2019, т. 89, № 4, c. 491-496.
[19] Trivedi M., Tripathi R. N., Sundar S. Modeling the removal by rain of two interacting gases forming distinct particulate matters in the atmosphere. Advances in Mathematical Modelling, Applied Analysis and Computation, 2024, pp. 126-142.
[20] Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.П., Худяков В.А. Термодинамические и теплофизические свойства продуктов сгорания: справочник в 5-ти томах. Т. 1 Методы расчета. Москва, Изд-во ВИНИТИ, 1971, 267 с.
[21] Тукмаков А. Л., Тукмаков Д. А. Численное исследование влияния параметров дисперсных частиц на осаждение твердой фазы электрически заряженной полидисперсной газовзвеси. Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Математика. Механика. Информатика, 2022, т. 22, № 1, c. 90-102.
[22] Тукмаков А.Л., Тонконог В.Г., Арсланова С.Н. Волновая коагуляция полидисперсной газовзвеси в технологии газификации и криостатирования сжиженного природного газа. Акустический журнал, 2016, т. 62, № 1, с. 125-131.
[23] Тукмаков А.Л., Тукмаков Д.А. Численное исследование влияния коагуляции на динамику двухфракционной газовзвеси. Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Математическое моделирование и программирование, 2024, т. 17, № 4, с. 66-81.
[24] Тукмаков Д.А. Исследование сеточной сходимости численной модели динамики полидисперсной коагулирующей газовзвеси. Моделирование систем и процессов, 2025, т.18, № 2, с. 107-115.
[25] Тукмаков Д. А. Численное моделирование колебаний вязкого газа с дис-персными включениями с частотой первого линейного резонанса в закрытом канале. Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Физико-математические науки, 2022, № 3 (63), с. 58–71.
[26] Флетчер К. Вычислительные методы в динамике жидкостей. Т. 2. Методы расчета различных течений. Москва, Мир, 1991, 551 с.
[27] Ковеня В.М. Тарнавский Г.А., Черный С.Г. Применение метода расщепления в задачах аэродинамики. Новосибирск, Наука, 1990, 247 с.
[28] Музафаров И.Ф., Утюжников С.В. Применение компактных разностных схем к исследованию нестационарных течений сжимаемого газа. Математическое моделирование, 1993, т. 5, №3, c.74-83.
Тукмаков А.Л., Тукмаков Д.А., Ахунов А.А. Численное моделирование колебаний коагулирующей двухфракционной газовзвеси в акустическом резонаторе. Математическое моделирование и численные методы, 2026, № 2, с. 66–85.
Работа выполнялась в рамках государственного задания Федерального исследовательского центра Казанского научного центра Российской академии наук.
Скачать статью
Количество скачиваний: 3