Моделирование импульсного истечения смеси воздуха и мелкодисперсного порошка, частично заполняющего выбросной канал

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.

1. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред. В 2 ч. М.: Наука, 1987.

2. Gidaspow D. Multiphase Flow and Fluidization. Continuum and Kinetic Theory Descriptions. San Diego, USA: Academic Press, 1994. 467 p.

3. Кутушев А.Г. Математическое моделирование волновых процессов в аэродисперсных и порошкообразных средах. СПб.: Недра, 2003. 284 с.

4. 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.

5. Bulat 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.

6. 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.

7. Любарский С.Д., Иванов А.С. Движение сжатой двухфазной среды насыпной плотности при внезапном расширении // Физика горения и взрыва. 1989. № 3. С. 78–81.

8. Ивандаев А.И., Кутушев А.Г., Рудаков Д.А. Численное исследование метания слоя порошка сжатым газом // Физика горения и взрыва. 1995. № 4. С. 63–70.

9. 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.

10. Нигматулин 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/S0869565216040101

11. 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

12. Широкова 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/10.17586/2226-1494-2021-21-4-606-612

13. 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.

14. Садин 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/10.20537/2076-7633-2020-12-6-1323-1338

15. Садин 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/S0044466916120152

16. Садин 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/10.17586/2226-1494-2021-21-5-785-790