ntvНаучно-технический вестник информационных технологий, механики и оптикиScientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics2226-14942500-0373Университет ИТМО10.17586/2226-1494-2022-22-1-187-192ntv-294Research ArticleМАТЕМАТИЧЕСКОЕ И КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕMODELING AND SIMULATIONМоделирование импульсного истечения смеси воздуха и мелкодисперсного порошка, частично заполняющего выбросной каналSimulation of the pulsed outflow of air and fine powder mixture, partially filling the discharge channelhttps://orcid.org/0000-0001-5335-4847СадинД. В.SadinD. V.

Садин Дмитрий Викторович — доктор технических наук, профессор, профессор

sc 6602924618

Санкт-Петербург, 197198

Dmitry V. Sadin — D.Sc., Full Professor

sc 6602924618

Saint Petersburg, 197198

sadin@yandex.ruВоенно-космическая академия имени А.Ф. МожайскогоРоссияMozhaisky Military Space AcademyRussian Federation202217122024221187192Copyright © Садин Д.В., 20242024Садин Д.В.Sadin D.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ntv.elpub.ru/jour/article/view/294

Предмет исследования. Рассмотрены закономерности импульсного истечения смеси воздуха и мелкодисперсного порошка, который частично заполняет выбросной цилиндрический канал в одномерном и двумерном случаях. Метод. Динамика газодисперсной среды описана в рамках эйлерового континуального подхода с различными скоростями и температурами газа и частиц порошка. В равновесном приближении построены аналитические автомодельные решения. Для численного решения задачи использован гибридный метод крупных частиц второго порядка точности по пространству и времени. Сопоставление точных автомодельных и численных решений подтвердили достоверность метода. Основные результаты. Истечение смеси газа высокого давления и частиц порошка носит ярко выраженный волновой характер, который связан с распадом начального разрыва, движением и преломлением волн на границе раздела сред внутри канала, а также отражением волн от его дна. Установлены характерные временные интервалы волнового процесса и соответствующие им распределения газодинамических величин. В зависимости от обобщенной автомодельной переменной давление, плотность и скорость смеси являются монотонными функциями, а профиль удельного (на единицу поперечного сечения) массового расхода имеет максимум в выходном сечении. Определены безразмерные параметры и удельный массовый расход двухфазной среды в выходном сечении выбросного канала. В случае ограниченного размером камеры высокого давления канала изучена двумерная физическая картина формирования и эволюции газодисперсной смеси. На начальном этапе истечения наблюдается «аномальная» группировка частиц порошка с образованием ударно- волновой структуры на дозвуковом режиме течения несущего газа. После выхода слоя порошка за пределы канала, истекающий из него чистый газ ускоряется до сверхзвуковой скорости, и развивается интенсивное вихревое движение в следе газодисперсной струи. Практическая значимость. Расчетные значения параметров позволяют обосновать достижимый уровень технических характеристик (скорости, массового расхода) потока рабочей газодисперсной среды импульсных порошковых устройств. Предложенная методика и полученные результаты являются основой принятия рациональных решений на ранних этапах проектирования и подготовки исходных данных по конструктивным и режимным параметрам для проведения испытаний прототипов импульсных порошковых технических устройств.

The paper studies the regularities of the pulsed outflow of air and fine powder mixture, which partially fills the ejection cylindrical channel, in both one-dimensional and two-dimensional formulations. The dynamics of a gas-dispersed medium are described in the framework of the Eulerian continuum approach with different velocities and temperatures of gas and powder particles. Analytical self-similar solutions are constructed in the equilibrium approximation. For the numerical solution of the problem, a hybrid large-particle method of the second order of accuracy in space and time is used. Comparison of exact self-similar and numerical solutions confirmed the reliability of the method. The outflow of the mixture of high-pressure gas and powder particles has a pronounced wave character, which is associated with the decomposition of the initial discontinuity, the movement, and refraction of waves at the interface of media inside the channel, as well as the reflection of waves from its bottom. The characteristic time intervals of the wave process and the corresponding distributions of gas-dynamics quantities are established. Depending on the generalized self-similar variable, the pressure, density, and velocity of the mixture are monotonic functions, and the profile of the specific (per unit cross-section) mass flow has a maximum in the critical section. Dimensionless parameters and specific mass flow of a two-phase medium in the outlet section of the discharge channel are determined. In the case of a channel limited by the size of the high-pressure chamber, a two-dimensional physical picture of the formation and evolution of a gas[1]dispersed mixture was studied. At the initial stage of the outflow, an “anomalous” grouping of powder particles is observed with the formation of a shock-wave structure in the subsonic mode of the carrier gas flow. After the powder layer leaves the channel, the pure gas flowing out of it accelerates to supersonic speed and an intense vortex motion develops in the wake of the gas-dispersed jet. The calculated values of the parameters allow us to justify the achievable level of technical characteristics (speed, mass flow rate) of the flow of the working gas-dispersed medium of pulsed powder devices. The proposed methodology and the results obtained are the basis for making rational decisions at the early stages of design and preparation of initial data on design and operating parameters for testing prototypes of pulsed powder technical devices.

порошковая струйная технологияимпульсное истечениеавтомодельные и численные решенияpowder jet technologypulse outflowself-similar and numerical solutionsReferencesНигматулин Р.И. Динамика многофазных сред. В 2 ч. М.: Наука, 1987.Nigmatulin R.I. Dynamics of Multiphase Media. In 2 vol. USA, CRC Press, 1990.Gidaspow D. Multiphase Flow and Fluidization. Continuum and Kinetic Theory Descriptions. San Diego, USA: Academic Press, 1994. 467 p.Gidaspow D. Multiphase Flow and Fluidization. Continuum and Kinetic Theory Descriptions. San Diego, USA Academic Press, 1994, 467 p.Кутушев А.Г. Математическое моделирование волновых процессов в аэродисперсных и порошкообразных средах. СПб.: Недра, 2003. 284 с.Kutushev A.G. Mathematical Modeling of Wave Processes in aero– dispersed and powdered media. St. Petersburg, Nedra Publ., 2003, 284 p. (in Russian).Дэвис С.Л., Диттман Т.Б., Якобс Дж.Б., Дон В.С. Дисперсия облака частиц в ударной волне. Влияние формы, угла поворота и геометрических параметров облака на динамику потока и дисперсию // Прикладная механика и техническая физика. 2013. Т. 54. № 6. С. 45–59.Davis S.L., Dittmann T.B., Jacobs G.B., Don W.S. Dispersion of a cloud of particles by a moving shock: Effects of the shape, angle of rotation, and aspect ratio. Journal of Applied Mechanics and Technical Physics, 2013, vol. 54, no. 6, pp. 900–912. https://doi.org/10.1134/S0021894413060059Bulat P.V., Volkov K.N., Ilyina T.Y. Interaction of a shock wave with a cloud of particles // IEJME — Mathematics education. 2016. V. 11. N 8. P. 2949–2962.Bulat P.V., Volkov K.N., Ilyina T.Y. Interaction of a shock wave with a cloud of particles. IEJME — Mathematics education, 2016, vol. 11, no. 8, pp. 2949-2962.Садин Д.В., Давидчук В.А. Взаимодействие плоской ударной волны с областями различной формы и плотности в мелкодисперсной газовзвеси // Инженерно-физический журнал. 2020. Т. 93. № 2. С. 489–498.Sadin D.V., Davidchuk V.A. Interaction of a plane shock wave with regions of varying shape and density in a finely divided gas suspension. Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 2020, vol. 93, no. 2, pp. 474–483. https://doi.org/10.1007/s10891-020-02143-2Любарский С.Д., Иванов А.С. Движение сжатой двухфазной среды насыпной плотности при внезапном расширении // Физика горения и взрыва. 1989. № 3. С. 78–81.Lyubarskii S.D., Ivanov A.S. Motion of a compressed two-phase medium of bulk density upon sudden expansion. Combustion, Explosion, and Shock Waves, 1989, vol. 25, no. 3, pp. 335–337. https://doi.org/10.1007/BF00788810Ивандаев А.И., Кутушев А.Г., Рудаков Д.А. Численное исследование метания слоя порошка сжатым газом // Физика горения и взрыва. 1995. № 4. С. 63–70.Ivandaev A.I., Kutushev A.G., Rudakov D.A. Numerical investigation of throwing a powder layer by a compressed gas. Combustion, Explosion, and Shock Waves, 1995, vol. 31, no. 4, pp. 459–465. https://doi.org/10.1007/BF00789367.Садин Д.В., Гузенков В.О., Любарский С.Д. Численное исследование структуры нестационарной двухфазной тонкодисперсной струи // Прикладная механика и техническая физика. 2005. Т. 46. № 2. С. 91–97.Sadin D.V., Guzenkov V.O., Lyubarskii S.D. Numerical study of the structure of a finely disperse unsteady two-phase jet. Journal of Applied Mechanics and Technical Physics, 2005, vol. 46, no. 2, pp. 224–229. https://doi.org/10.1007/s10808-005-0040-6Нигматулин Р.И., Губайдуллин Д.А., Тукмаков Д.А. Ударно-волновой разлет газовзвесей // Доклады Академии наук. 2016. Т. 466. № 4. С. 4 1 8 – 4 2 1. https://doi.org/10.7868/S0869565216040101Nigmatulin R.I., Gubaidullin D.A., Tukmakov D.A. Shock wave dispersion of gas–particle mixtures. Doklady Physics, 2016, vol. 61, no. 2, pp. 70–73. https://doi.org/10.1134/S1028335816020038Садин Д.В., Любарский С.Д., Гравченко Ю.А. Особенности недорасширенной импульсной импактной газодисперсной струи с высокой концентрацией частиц // Журнал технической физики. 2017. Т. 87. № 1. С. 22–26. https://doi.org/10.21883/JTF.2017.01.44013.1809Sadin D.V., Lyubarskii S.D., Gravchenko Y.A. Features of an underexpanded pulsed impact gas-dispersed jet with a high particle concentration. Technical Physics, 2017, vol. 62, no. 1, pp. 18–23. https://doi.org/10.1134/S1063784217010194Широкова Е.Н. Численное исследование разлета смеси газа и частиц с осевой симметрией // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2021. Т. 21. № 4. С. 606–612. https://doi.org/10.17586/2226-1494-2021-21-4-606-612Shirokova E.N. A numerical study of the expansion of a gas-particles mixture with axial symmetry. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2021, vol. 21, no. 4, pp. 606–612 (in Russian). https://doi.org/10.17586/2226-1494-2021-21-4-606-612.Иванов А.С., Козлов В.В., Садин Д.В. Нестационарное истечение двухфазной дисперсной среды из цилиндрического канала конечных размеров в атмосферу // Известия РАН. Механика жидкости и газа. 1996. № 3. С. 60–66.Ivanov A.S., Kozlov V.V., Sadin D.V. Unsteady flow of a two-phase disperse medium from a cylindrical channel of finite dimensions into the atmosphere. Fluid Dynamics, 1996, vol. 31, no. 3, pp. 386–391. https://doi.org/10.1007/BF02030221Садин Д.В. Приложение гибридного метода крупных частиц к расчету взаимодействия ударной волны со слоем газовзвеси // Компьютерные исследования и моделирование. 2020. Т. 12. № 6. С. 1323–1338. https://doi.org/10.20537/2076-7633-2020-12-6-1323-1338Sadin D.V. Application of a hybrid large-particle method to the computation of the interaction of a shock wave with a gas suspension layer. Computer Research and Modeling, 2020, vol. 12, no. 6, pp. 1323–1338. (in Russian). https://doi.org/10.20537/2076-7633-2020-12-6-1323-1338Садин Д.В. TVD-схема для жестких задач волновой динамики гетерогенных сред негиперболического неконсервативного типа // Журнал вычислительной математики и математической физики. 2016. Т. 56. № 12. С. 2098–2109. https://doi.org/10.7868/S0044466916120152Sadin D.V. TVD scheme for stiff problems of wave dynamics of heterogeneous media of nonhyperbolic nonconservative type. Computational Mathematics and Mathematical Physics, 2016, vol. 56, no. 12, pp. 2068–2078. https://doi.org/10.1134/S0965542516120137Садин Д.В. Сбалансированный алгоритм гибридного метода крупных частиц и его проверка на некоторых тестовых задачах // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2021. Т. 21. № 5. С. 785–790. https://doi.org/10.17586/2226-1494-2021-21-5-785-790Sadin D.V. A balanced algorithm of the hybrid large-particle method and its verification on some test problems. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2021, vol. 2 1, n o. 5, p p. 7 8 5 – 7 9 0 (i n R u s sia n ). https://doi.org/10.17586/2226-1494-2021-21-5-785-790

The authors declare that there are no conflicts of interest present.