Study of the influence of the coagulation process on the results of numerical calculations of the dynamics of a gas suspension

Abstract


The work is devoted to mathematical modeling of the dynamics of solid or liquid dispersed inclusions suspended in gas – gas suspensions. The study numerically simulated the dynamics of a gas suspension in a channel with and without taking into account the effect of coagulation of dispersed inclusions. It was assumed that a dusty medium moves in the channel, through the side surface of the channel there is an injection of droplet fractions coagulating with dispersed inclusions of the dusty medium. The work presents a mathematical model that implements a continuum technique for modeling the dynamics of multiphase media, which involves solving a complete system of dynamic equations for each of the phases of the mixture. The system of equations for the dynamics of gas, as well as dispersed phase fractions, included the density conservation equation, the equations for the conservation of spatial components of momentum, and the energy conservation equation. For the dispersed phase fractions, the "average density" function was introduced, which is the product of the fraction volume content, which is a function of spatial and temporal variables, and its physical density, which is a constant value.The carrier medium was described as a viscous compressible and heat-conducting gas. The interphase momentum exchange and interphase heat exchange were also taken into account. The interphase momentum exchange included the dynamic Archimedes force, the force of added masses, and the force of aerodynamic drag of particles. Homogeneous Dirichlet boundary conditions were specified for the velocity components of the carrier medium and the dispersed phase at the boundaries of the computational domain, modeled as solid surfaces. The dispersed phase of the gas suspension was described as multifractional, the fractions of which differ in the size of dispersed inclusions and the density of the particle material.The system of equations of the mathematical model was integrated by the finite-difference method of the second order of accuracy. To suppress numerical oscillations, a nonlinear correction scheme for the grid function was used. The mathematical model assumed that the interaction between particles was taken into account, through the absorption of smaller particles by larger particles due to collisional coagulation. Comparison of the results with and without taking into account the coagulation effect of the droplet and dust fractions of the gas suspension demonstrates that the absence of consideration of the coagulation effect has a significant effect both on the distribution of concentrations of the gas suspension fractions and on the physical fields of the fractions and the carrier medium.

Full Text

2

About the authors

D. A Tukmakov

Federal Research Center Kazan Scientific Center of the Russian Academy of Sciences IME

References

  1. Провоторов, В.В. Управление линеаризованной системой Навье – Стокса в сетеподобной области / В.В. Провоторов, Е.Н. Провоторова // Прикладная математика и вопросы управления. – 2017. – № 2. – С. 65–84.
  2. Численный анализ работы струйного насоса с изменяемой геометрией проточного тракта / М.А. Савин, М.А. Ошивалов, Е.И. Вахрамеев, К.С. Галягин // Прикладная математика и вопросы управления. – 2023. – № 3. – С. 8–21.
  3. Нигматулин, Р.И. Основы механики гетерогенных сред / Р.И. Нигматулин. – М.: Наука, 1978. – 336 с.
  4. Кутушев, А.Г. Математическое моделирование волновых процессов в аэродисперсных и порошкообразных средах / А.Г. Кутушев. – СПб.: Недра, 2003. – 284 с.
  5. Федоров, А.В. Волновые процессы в газовзвесях частиц металлов / А.В. Федоров, В.М. Фомин, Т.А. Хмель. – Новосибирск: Параллель, 2015. – 301 c.
  6. Клиначева, Н.Л. Ослабление сферических ударных волн в гетерогенных средах / Н.Л. Клиначева, Ю.М. Ковалев // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Математическое моделирование и программирование. – 2017. – Т. 10, № 4. – С. 35–45.
  7. Шиляев, М.И. Динамика процесса тепломассообмена при инжектировании диспергированного адсорбента в парогазовый поток / М.И. Шиляев, Е.М. Хромова // Теоретические основы химической технологии. – 2021. – Т. 55, № 4. – С. 506–516.
  8. Лаптева, Е.А. Математическая модель контактного охлаждения и очистки от дисперсной фазы газов в насадочных скрубберах / Е.А. Лаптева, А.Г. Лаптев, С.У. Аласгарли // Теоретические основы химической технологии. – 2022. – Т. 56, № 2. – С. 244–251.
  9. A Highly Efficient Biomass Compound Aerosol Suppressant in Purifying Radioactive Cesium Droplet Aerosols / L. Wu, S. Lei, Y. Wang, S. Yang, X. Lin, H. Wang // Molecules. – 2022. – Vol. 27, no. 19.
  10. Моделирование процесса мокрой очистки газов с наложением ультразвуковых полей / В.Н. Хмелев, А.В. Шалунов, Р.С. Доровских, В.А. Нестеров, Р.Н. Голых // Южно-Сибирский научный вестник. – 2017. – Т. 20, № 4. – С. 57–63.
  11. Повышение эффективности пылеулавливания / В.Н. Макаров, А.В. Угольников, Н.В. Макаров, Г.А. Боярских // Горный журнал. – 2022. – № 8. – С. 62–70.
  12. Тимофеева М.В. Влияние коагуляции капель воды на их распределение по размерам в рабочей части аэрохолодильной установки // Журнал технической физики. – 2019. – Т. 89, № 4. – С. 491–496.
  13. Термодинамические и теплофизические свойства продуктов сгорания: справочник в 5 т. Т. 1. Методы расчета / В.Е. Алемасов, А.Ф. Дрегалин, А.П. Тишин, В.А. Худяков. – М.: Изд-во ВИНИТИ, 1971. – 267 с.
  14. Тукмаков, А.Л. Динамика коагулирующей полидисперсной газовзвеси в нелинейном волновом поле акустического резонатора / А.Л. Тукмаков // Инженерно-физический журнал. – 2015. – Т. 88, № 1. – С. 11–19.
  15. Тукмаков А.Л. Программный код для моделирования динамики однородных и дисперсных сред явным методом Мак-Кормака в обобщенных криволинейных координатах (2D): свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2018616542; заявл. 02.08.2018; опубл. 19.06.2018.
  16. Тукмаков, А.Л. Динамика заряженной газовзвеси с начальным пространственно неравномерным распределением средней плотности дисперсной фазы при переходе к равновесному состоянию / А.Л. Тукмаков, Д.А. Тукмаков // Теплофизика высоких температур. – 2017. – T. 55, № 4. – С. 509–512.
  17. Тукмаков, Д.А. Численное исследование влияния граничных условий на расчеты динамики полидисперсной газовзвеси / Д.А. Тукмаков // Прикладная математика и механика. – 2024. – Т. 88, № 3. – С. 422–433.
  18. Тукмаков, Д.А. Сопоставление численных расчетов континуальной математической модели динамики монодисперсного аэрозоля в акустическом резонаторе – закрытой трубе с физическим экспериментом / Д.А. Тукмаков // Вестник Омского университета. – 2022. – Т. 27, № 2. – С. 40–46.
  19. Tukmakov, D.A. Investigation of the grid convergence of a finite-difference model of the dynamics of an electrically charged gas suspension / D.A. Tukmakov // Proceedings of 2024 6th International Youth Conference on Radio Electronics, Electrical and Power Engineering (REEPE). – Moscow, 2024. – P. 1–6. doi: 10.1109/REEPE60449.2024.10479689
  20. Тукмаков, Д.А. Численное моделирование взаимодействия газовзвеси с ударной волной континуальными математическими моделями с идеальной и диссипативными несущими средами / Д.А. Тукмаков // Вестник ЮУрГУ. Серия: Вычислительная математика и информатика. – 2022. – Т. 11, № 4. – С. 67–87.
  21. Флетчер, К. Вычислительные методы в динамике жидкостей / К. Флетчер. – М.: Мир,1991. – Т. 2. – 551 с.
  22. Музафаров, И.Ф. Применение компактных разностных схем к исследованию нестационарных течений сжимаемого газа / И.Ф. Музафаров, С.В. Утюжников // Математическое моделирование. – 1993. – Т. 5, № 3. – С. 74–83.

Statistics

Views

Abstract - 18

PDF (Russian) - 6

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies