Компьютерное моделирование взаимодействия ударной волны со стенкой, экранированной неоднородным слоем газовзвеси

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.

1. Da Calva Mouillevois T., Audren-Paul M., Chollon G., Bertrand N. Fluidization of variable short fiber/powder mixtures: hydrodynamic investigation // Chemical Engineering Journal. 2023. V. 471. P. 144846. https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.144846

2. Губайдуллин Д.А., Федяев В.Л., Моренко И.В. Математическое моделирование неизотермических процессов струйного напыления полимерных порошковых композиций и формирования защитных покрытий // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2016. Т. 17. № 4. С. 3.

3. Зуев Ю.В., Лепешинский И.А., Решетников В.А., Истомин Е.А. Особенности двухфазных струй с большой концентрацией дисперсной фазы // Математическое моделирование. 2012. Т. 24. № 1. С. 129–142.

4. Emelyanov V.N., Volkov K.N. Direct numerical simulation of fully developed turbulent gas–particle flow in a duct // Russian Journal of Nonlinear Dynamics. 2022. V. 18. N 3. P. 379–395. https://doi.org/10.20537/nd220304

5. Frost D.L., Grégoire Y., Petel O., Goroshin S., Zhang F. Particle jet formation during explosive dispersal of solid particles // Physics of Fluids. 2012. V. 24. N 9. P. 091109. https://doi.org/10.1063/1.4751876

6. Садин 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.2017.01.44013.1809

7. Shirokova E.N. Numerical study of a pulsed jet flow of an inhomogeneous gas-dispersed mixture // Fluid Dynamics. 2023. V. 58. N 8. P. 1594–1601. https://doi.org/10.1134/s0015462823602590

8. Губайдуллин Д.А., Осипов П.П., Альмакаев И.М. Моделирование дрейфа мелкодисперсных частиц в акустическом резонаторе с помощью пакета CFD // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2017. Т. 19. № 9–10. С. 112–121. https://doi.org/10.30724/19989903-2017-19-9-10-112-121

9. Садин Д.В. Численное и аналитическое исследование разлета газовзвеси в закрытой ударной трубе // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки. 2021. Т. 14. № 4. С. 40–49. https://doi.org/10.18721/JPM.14403

10. Булат П.В., Волков К.Н. Численное моделирование рефракции ударной волны на наклонном контактном разрыве // Научнотехнический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2016. Т. 16. № 3. С. 550–558. https://doi.org/10.17586/22261494-2016-16-3-550-558

11. Георгиевский П.Ю., Левин В.А., Сутырин О.Г. Фокусировка ударной волны при взаимодействии ударной волны с цилиндрическим облаком пыли // Письма в Журнал технической физики. 2016. Т. 42. № 18. С. 17–24.

12. 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.

13. Болдырева О.Ю., Губайдуллин А.А., Дудко Д.Н., Кутушев А.Г. Численное исследование передачи ударно-волновой нагрузки экранируемой плоской стенке через слой порошкообразной среды и разделяющий их воздушный зазор // Физика горения и взрыва. 2007. Т. 43. № 1. С. 132–142.

14. Садин Д.В., Широкова Е.Н. Точное решение задачи отражения ударной волны от стенки, экранированной слоем газовзвеси // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2023. Т. 23. № 4. С. 843–849. https://doi.org/10.17586/2226-1494-2023-23-4-843-849

15. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред. Ч. 1. М.: Наука, 1987. 464 с.

16. Садин Д.В. Эффективная реализация гибридного метода крупных частиц // Математическое моделирование. 2022. Т. 34. № 4. С. 113–127. https://doi.org/10.20948/mm-2022-04-08

17. Садин Д.В. Управление численной диссипацией гибридного метода крупных частиц в задачах с вихревой неустойчивостью // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2022. Т. 22. № 4. С. 785–791. https://doi.org/10.17586/2226-1494-2022-22-4-785-791

18. Quirk J.J., Karni S. On the dynamics of a shock-bubble interaction // Journal of Fluid Mechanics. 1996. V. 318. P. 129–163. https://doi.org/10.1017/s0022112096007069