NUMERICAL SIMULATION OF THE INTERACTION BETWEEN A WAVE IN HYDROGEN AND A BARRIER IN A MODEL CHANNEL

Abstract


The paper considers the influence of physical and mechanical characteristics (PMC) of materials of the constructions to propagate acoustic waves in gas at a model channel. The research of the influence of PMC materials, pipelines, in particular, on the propagation of wave processes is associated with the problem of noise that arises during the transportation of natural gas and hydrogen- containing mixtures. The problem of noise is especially relevant given the forecasts for the development of the hydrogen energy transportation and storage industry. Modeling of acoustic processes is often associated with the sources of occurrence and propagation in the simulated environment. In this case, the possible occurrence of the resonance phenomena or processes of attenuation of acoustic waves in the dynamic gas-structure system are not taken into account. The boundary value problem is formulated in a bidirectional interaction statement (2-way Fluid-Structure Interaction or 2FSI) between the deformable structure and the hydrogen flow. Predicting the behavior of the pipeline structure in a model representation under the influence of gas during transportation will make it possible to select the optimal PMC material to reduce the acoustic impact both inside and outside the channel. The research presented in this work is carried out using the ANSYS engineering analysis system, which allows modeling the processes under consideration in the 2FSI statement. The paper analyzes the behavior of a wave generated by a unimodal sound source interacting with a barrier clamped in a rectangular pipe. The main results of the research are presented in the form of dependencies of the pressure amplitude versus time at characteristic points; the dependence of displacement versus time of the model barriers made of different PMC materials; the dependencies of changes in pressure and displacement for different working fluids.

Full Text

Одним из приоритетных направлений развития энергетики в Российской Федерации, согласно энергетической стратегии ЭС-2035, выступает транспортировка и хранение водорода и водородосодержащих газовых смесей как для внутреннего потребления, так и для экспорта [1–10]. На сегодняшний день основным способом транспортировки водорода и водородосодержащих смесей явля- ются существующие трубопроводы природного газа, зачастую изготовленные из стали. Однако при эксплуатации таких трубопроводов имеют место существенные проблемы: – потери объема водорода из системы превышают более чем в 3 раза, чем таковые природного газа; – повышенный шум, возникающий при транспортировке водорода и водородосодержащих газовых смесей, на газораспределительных станциях (ГРС). Действующие нормы для помещений ГРС, установленные в 85 ДБ, предъявляются и к транспортировке водорода. Проблема шума, или акустических процессов, становится наиболее актуальной с учетом прогнозов по развитию отрасли. Так, к 2040 г. прогнозируется система трубопроводов для транспортировки водорода протяженностью более 23 тыс. км, из которых 75 % будут составлять переоборудованные действующие магистрали для транспортировки природного газа [11; 12]. В связи с этим в работе затрагиваются вопросы, связанные с шумом, возникающим при транспортировке водорода. Так, рассматриваются процессы, связанные с возникновением, распространением акустической волны в трубопроводе в условиях транспортировки водорода. Моделирование акустических процессов зачастую связано с источниками их возникновения и распростра- нения в моделируемой рабочей среде. Необходимо опре- делить акустические характеристики на установке «ка- нал с потоком» [13–28]. При этом не учитывается воз- никновение возможных резонансных явлений и/или процессов ослабления акустических волн в динамиче- ской системе «газ – конструкция». Для возможности учета данных процессов необходимо рассматривать кра- евую задачу в полной постановке, как 2FSI-связанную задачу взаимовлияния деформируемой конструкции и газодинамического потока (англ. 2-way Fluid- Structure Interaction), т.е. в аэроупругой постановке, как, например, было сделано в работах [29; 30]. Примеров ис- следований акустических процессов в 2FSI-постановке недостаточно. На данный момент подобные исследова- ния в связанной постановке задачи имеют отражения в работах таких авторов, как Р.В. Мормуль и А.С. Голдо- бин, В.Я. Модорский, А.О. Микрюков, А.Е. Кирюшкин, Л.Л. Миньков, И.К. Марчевский, В.В. Лукин, Ф.С. Кулешов и др. [31–35] В данной работе моделируются акустические процессы в трубопроводе при транспортировке водорода с использованием 2FSI-подхода. Исследования направлены на выявление закономерностей по распростражении трубопровода. В качестве модельного приближе- ния рассматривается канал прямоугольного сечения, разделенный одной или несколькими перегородками, жестко защемленными по периметру. В качестве материала перегородки рассматриваются несколько вариантов, существенно различающихся по физико-механическим характеристикам: сталь, титан, полиэтилен и стеклопластик. При интенсивном воздействии водорода на перегородке появляются деформации и возможно возникновение процессов поврежденности и/или разрушения, что может также сказаться на поведении акустического поля. Данные процессы также тре- буют дополнительного изучения. В качестве рассматриваемых рабочих тел используются воздух или чистый водород. Таким образом, исследования направлены на оценку влияния физико-механических характеристик конструкции перегородки на распространение и гашение акусти- ческих волн в воздухе/водороде внутри модельного канала прямоугольного сечения.

About the authors

M. A. Seregina

Perm National Research Polytechnic University

A. V. Babushkina

Perm National Research Polytechnic University

V. Ya. Modorskii

Perm National Research Polytechnic University

I. E. Cherepanov

Perm National Research Polytechnic University

A. O. Mikryukov

Perm National Research Polytechnic University

References

  1. Якубсон К.И. Перспективы производства и использо- вания водорода как одно из направлений развития низкоугле- родной экономики в Российской Федерации (обзор) // Журнал прикладной химии. – 2020. – Т. 93, № 12. – С. 1675–1695.
  2. Analysis of technologies for hydrogen consumption, transition and storage at operating thermal power plants / D. Kolbantseva [et al.] // Energies. – 2022. – Vol. 15, no. 10. – 3671 р.
  3. Simulation of the operation of a gas turbine installation of a thermal power plant with a hydrogen fuel production system / G.E. Marin [et al.] // International Journal of Hydrogen Energy. – 2023. – Vol. 48, no. 12. – P. 4543–4550.
  4. Bayramov A.N. Comprehensive assessment of system efficiency and competitiveness of nuclear power plants in combination with hydrogen complex // International Journal of Hydrogen Energy. – 2023. – Vol. 48, iss. 70. – P. 27068–27078.
  5. Развитие «зеленой» водородной энергетики в евро- пейской части Российской Федерации / Э.Р. Зверева [и др.] // Экономика промышленности / Russian Journal of Industrial Economics. – 2022. – Т. 15, № 2. – С. 167–176.
  6. Анализ оптимальных способов транспортировки во- дорода / Е.Э. Иванова [и др.] // Наука и технологии: Перспек- тивы развития и применения. – 2023. – С. 28–45.
  7. Голуб В.В., Иванов К.В. Экспериментальное исследо- вание диффузионного самовоспламенения водорода в канале // Химическая физика. – 2009. – Т. 28, № 5. – С. 19-26.
  8. Володин В.В., Голуб В.В., Ельянов А.Е. Влияние аку- стических колебаний на скорость ячеистого водородно-воз- душного пламени в горизонтальном канале // Письма в ЖТФ. – 2022. – Т. 48, № 9. – С. 41.
  9. Карасевич В., Валерий Б., Мингалеева Р. Перспек- тивы использования природного газа для производства и экс- порта российского водорода // Энергетическая политика. – 2023. – № 6 (184). – С. 90–99.
  10. Карасевич В.А., Руденко С.Ю., Кортиков А.В. Теку- щее состояние и потенциал использования природного газа для производства и экспорта водородосодержащей продукции // Вопросы экономики и управления нефтегазовым комплек- сом. – 2022. – С. 160–165.
  11. Исмагилова В.С., Чекушина Т.В. Транспортировка трубопроводного и сжиженного природного газа: сравнитель- ный анализ достоинств и недостатков // Науки о Земле и недро- пользование. – 2023. – Т. 46, № 1 (82). – С. 61–71.
  12. Darsaliya N.M., Farukhshina R.R., Saddik Z.E. Transportation of hydrogen by main gas pipelines as a methane-hydrogen mixture // Liquid and Gaseous Energy Resources. – 2023. – Vol. 3, iss. 1. – 6 p.
  13. Расчетно-экспериментальные исследования резо- нансных многослойных звукопоглощающих конструкций / А.Н. Аношкин [и др.] // Вестник Пермского национального ис- следовательского политехнического университета. Меха- ника. – 2015. – № 1. – С. 5–20.
  14. Bielak G.W., Premo J.W., Hersh A.S. Advanced turbofan duct liner concepts. – 1999. – № NASA/CR-1999-209002.
  15. Акустические резонансные характеристики двух и трехслойных сотовых звукопоглощающих панелей / А.Г. Заха- ров [и др.] // Вестник Пермского национального исследователь- ского политехнического университета. Аэрокосмическая тех- ника. – 2016. – № 3 (46). – С. 144–159.
  16. Khaletskiy Y., Pochkin Y., Igolkin A. Acoustic response of a fan duct liner including porous material // 20th International Congress on Sound and Vibration 2013, ICSV 2013. – 2013. – Р. 341–348.
  17. Karstadt S., Matyschok B., Pelz P.F. Sound deadening on fans // Turbo Expo: Power for Land, Sea, and Air. – 2011. – Vol. 54679. – P. 961–971.
  18. Peng F. Sound absorption of a porous material with a perforated facing at high sound pressure levels // Journal of Sound and Vibration. – 2018. – Vol. 425. – P. 1–20.
  19. Jones M., Watson W., Parrott T. Benchmark data for evaluation of aeroacoustic propagation codes with grazing flow // 11th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference. – 2005. – P. 2853.
  20. Ch. V., Surya Narayana Reddi, Chandramouli Padmanabhan. Simplified impedance models for Helmholtz resonator with intrusions // ICSV20. – Bangkok, Thailand, July 2013. – P. 158–161.
  21. Farshidianfar M.H., Farshidianfar A. Mode count and modaldensity of acoustical cavities: bars, plates and cylindrical shells // ICSV20. – 2013. – P. 172–175.
  22. Hynninen A., Åbom M. Determination of in-duct sound power beyond the plane wave range using wall-mounted microphones // Applied Acoustics. – 2015. – Vol. 99. – P. 24–30.
  23. Localization of broadband acoustical sources in the cylindrical duct via measurements outside the duct end / K. Gao [et al.] // Journal of Sound and Vibration. – 2023. – P. 117749.
  24. Modal deconvolution of baffled duct internal acoustics from external measurements and experimental evaluation / B. Etchebarne [et al.] // ICSV29-29th International Congress on Sound and Vibration. – 2023.
  25. Laly Z., Feng X., Atalla N. An experimental transfer matrix method to characterize acoustic materials at high sound pressure levels in airflow environment // Applied Acoustics. – 2023. – Vol. 206. – P. 109311.
  26. Шульдешов Е.М., Краев И.Д., Образцова Е.П. Матери- алы для звукопоглощающих конструкций авиационных двигате- лей (обзор) // Труды ВИАМ. – 2021. – № 7 (101). – С. 59–72.
  27. Численное моделирование задачи устойчивости пер- форированных оболочек / А.А. Антипов [и др.] // Вестник Пермского национального исследовательского политехниче- ского университета. Механика. – 2015. – № 1. – С. 21–30.
  28. Филиппенко Г.В., Зиновьева Т.В. Модальный анализ трубы, поврежденной водородом, как неоднородной по тол- щине оболочки // Вестник Пермского национального исследо- вательского политехнического университета. Механика. – 2022. – № 3. – С. 170–182.
  29. Численное моделирование ступени центробежного ком- прессора газоперекачивающего агрегата в 2FSI-постановке / В.Я. Модорский, И.Е. Черепанов, С.Л. Калюлин, А.О. Микрю- ков, А.В. Бабушкина, Д.С. Максимов, Д.Н. Хроликова // Вест- ник Пермского национального исследовательского политехни- ческого университета. Аэрокосмическая техника, 2019. – № 56. – С. 83–91.
  30. Численное моделирование газодинамических и проч- ностных характеристик вентилятора для экспериментальной установки по исследованию разрушения льда на вращающихся рабочих лопатках / С.Л. Калюлин [и др.] // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического универ- ситета. Механика. – 2023. – № 1. – С. 134–141.
  31. Мормуль Р.В., Голдобин А.С., Павлов Д.А. Концеп- ция применения композиционных материалов для оптималь- ного проектирования осевого вентилятора системы охлажде- ния газотурбинной установки в составе газоперекачивающего агрегата «Урал» // Вестник Пермского национального исследо- вательского политехнического университета. Аэрокосмиче- ская техника. – 2020. – № 60. – С. 15–25.
  32. Микрюков А.О., Модорский В.Я., Черепанов И.Е. Разработка математической модели для исследования динами- ческих процессов в лабиринтном уплотнении ступени центро- бежного компрессора // Вестник Пермского национального ис- следовательского политехнического университета. Аэрокосми- ческая техника. – 2021. – № 66. – С. 115–124.
  33. Кирюшкин А.Е., Миньков Л.Л. Параллельная реали- зация решения сопряженной задачи определения внутрибалли- стических характеристик двигателей на твердом топливе // Компьютерные исследования и моделирование. – 2021. – Т. 13, № 1. – С. 47–65.
  34. Кулешов Ф.С., Головастов С.В., Бивол Г.Ю. Влияние пористой полиуретановой перегородки на гидравлические ха- рактеристики потока и на распространение фронта пламени в открытом канале // Вестник Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана. Серия «Есте- ственные науки». – 2022. – № 3 (102). – С. 110–123.
  35. Лукин В.В., Марчевский И.К. Учебно-эксперимен- тальный вычислительный кластер. Ч. 1. Инструментарий и воз- можности // Вестник Московского государственного техниче- ского университета им. НЭ Баумана. Серия «Естественные науки». – 2011. – № 4. – С. 28–43.
  36. Численное моделирование процессов взаимовлияния волны газа и деформированной преграды в модельном канале авиационного двигателя / М.А. Серегина [и др.] // Вестник Пермского национального исследовательского политехниче- ского университета. Аэрокосмическая техника. – 2022. – № 69. – С. 92–99.

Statistics

Views

Abstract - 218

PDF (Russian) - 72

Cited-By


PlumX


Copyright (c) 2023 Seregina M.A., Babushkina A.V., Modorskii V.Y., Cherepanov I.E., Mikryukov A.O.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

This website uses cookies

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

About Cookies