Садин Дмитрий Викторович — доктор технических наук, профессор
Санкт-Петербург, 197198
Dmitry V. Sadin — D.Sc., Full Professor
Saint Petersburg, 197198
Введение. В современных технологиях пневмотранспорта, псевдоожижения, напыления полимеров широко используются газодисперсные среды. Особый интерес с точки зрения динамического нагружения конструкций представляют ударно-волновые процессы в газодисперсных смесях в окрестности стенок. Использование компьютерных методов моделирования позволяет снизить временные и материальные затраты на совершенствование конструкций и оптимизацию параметров технологических процессов. Метод. Динамика газовзвеси рассмотрена в эйлеровой двухконтинуальной формулировке. Для расчетов использован гибридный метод крупных частиц второго порядка аппроксимации с нелинейной коррекцией Superbee на эйлеровом и VanLeer на лагранжевом этапах. Алгоритм реализован в виде многопоточного кода решателя с обработкой графических результатов в отдельном параллельном процессе. Основные результаты. Проведено подробное численное моделирование характерных этапов взаимодействия ударной волны со стенкой, экранированной слоем мелкодисперсной газовзвеси с цилиндрической областью повышенной плотности частиц. Начало процесса (до взаимодействия прошедшей в слой газовзвеси плоской ударной волны с неоднородностью) носит одномерный характер. Дальнейшее развитие физической картины связано с существенной перестройкой течения. Огибающая цилиндрическую границу неоднородности ударная волна сходится к плоскости симметрии с образованием эффекта фокусировки. Вследствие бароклинной неустойчивости (несовпадения градиентов давления и плотности) на поверхности границы повышенной плотности образуется вихревая зона. Как показал детальный анализ результатов расчета, наиболее существенные (более, чем на порядок по отношению к начальному состоянию) всплески давления и плотности газовзвеси вызваны взаимодействиями прошедшей в неоднородность и сфокусированной ударной волной, а затем набегающим отраженным композиционным ударно-волновым импульсом. Обсуждение. Полученные результаты имеют теоретическое и прикладное значения. Выявлены новые физические эффекты отражения ударной волны от стенки, экранированной слоем газовзвеси с цилиндрической областью повышенной плотности дисперсной фракции. Определены причины последовательности всплесков давления и плотности смеси, которые могут приводить к воспламенению и детонации горючей дисперсной фазы. Разработанный численный алгоритм и методика компьютерного моделирования могут лежать в основе анализа ударно-волновых явлений в окрестности стенок конструкций и обоснования рациональных параметров технологических газопорошковых технологий.
In modern technologies of pneumatic transport, fluidization, and polymer spraying, gas-dispersed media are widely used. Of particular interest, from the point of view of dynamic loading of structures, are shock-wave processes in gas-dispersed mixtures in the vicinity of the walls. The use of computer modeling methods makes it possible to reduce time and material costs for improving designs and optimizing technological process parameters. A hybrid large-particle method of second order approximation with a nonlinear correction, Superbee at the Eulerian stage and VanLeer at the Lagrangian stage, was used for the calculations. The algorithm is implemented as multi-threaded solver code, with processing of graphical results in a separate parallel process. A detailed numerical simulation of the characteristic stages of the interaction of a shock wave with a wall shielded by a layer of finely dispersed gas suspension with a cylindrical region of increased particle density was carried out. The beginning of the process (before the interaction of a plane shock wave passing into the layer of gas suspension with inhomogeneity) is one-dimensional in nature. Further development of the physical picture is associated with a significant restructuring of the flow. The shock wave enveloping the cylindrical boundary of the inhomogeneity converges to the plane of symmetry with the formation of a focusing effect. Due to baroclinic instability (mismatch of pressure and density gradients), a vortex zone is formed on the surface of the highdensity boundary. As shown by a detailed analysis of the calculation results, the most significant (more than an order of magnitude relative to the initial state) surges in pressure and density of the gas suspension are caused by the interactions of a focused shock wave that has passed into the inhomogeneity, and then an incident reflected composite shock wave pulse. The results obtained have theoretical and applied significance. New physical effects of shock wave reflection from a wall shielded by a layer of gas suspension with a cylindrical region of increased density of the dispersed fraction have been revealed. The reasons for the sequence of bursts in pressure and density of the mixture, which can lead to ignition and detonation of the combustible dispersed phase, are determined. The developed numerical algorithm and computer modeling technique can form the basis for the analysis of shock wave phenomena in the vicinity of the walls of structures and the justification of rational parameters of technological gas-powder technologies.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.