Numerical Study of the Influence of Boundary Conditions on Calculations of the Dynamics of Polydisperse Gas Suspension

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The work numerically simulates the flow of a polydisperse gas suspension in a channel. The carrier medium was described as a viscous, compressible, heat-conducting gas. The mathematical model implemented a continuum technique for the dynamics of multiphase media, taking into account the interaction of the carrier medium and the dispersed phase. For each component of the mixture, a complete hydrodynamic system of equations of motion for the carrier phase and dispersed phase fractions was solved. The dispersed phase consisted of particles with different sizes of dispersed inclusions. For the carrier medium, homogeneous Dirichlet boundary conditions were specified on the side surfaces of the channel. For fractions of the dispersed phase, boundary conditions for slippage. The influence of the boundary conditions of the flow of the carrier medium on the dynamics of gas suspension fractions has been revealed.

Full Text

Restricted Access

About the authors

D. A. Tukmakov

Kazan Scientific Center of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: tukmakovda@imm.knc.ru
Russian Federation, Kazan

References

  1. Loytsyansky L.G. Mechanics of Liquid and Gas. Moscow: Drofa, 2003. 784 p. (in Russian)
  2. Nigmatulin R.I. Dynamics of Multiphase Media. N.Y.: CRC Press, 1990. 532 p.
  3. Sternin L.E. Two-Phase Mono- and Polydisperse Flows of Gas with Particles. Moscow: Mashinostroenie, 1980. 176 p. (in Russian)
  4. Deutsch M.E., Filippov G.A. Gas Dynamics of Two-Phase Media. Moscow: Energoizdat, 1981. 472p. (in Russian)
  5. Kutushev A.G. Mathematical Modeling of Wave Processes in Aerodisperse and Powder Media. St. Petersburg: Nedra, 2003. 284 p.
  6. Fedorov A.V., Fomin V.M., Khmel T.A. Wave Processes in Gas Suspensions of Metal Particles. Novosibirsk: Parallil, 2015. 301 p. (in Russian)
  7. Varaksin A.Y. Two-phase flows with solid particles, droplets, and bubbles: problems and research results (review) // High Temp., 2020, vol. 58, no. 4, pp. 595–614.
  8. Pakhomov M.A., Terekhov V.I. Effect of droplet evaporation on the flow structure and heat and mass transfer in a confined swirling gas-droplet flow downstream of a tube sudden expansion // Thermophys. &Aeromech., 2018, vol. 25, no. 6, pp. 833–843.
  9. Shirokova E.N., Sadin D.V. Wave and relaxation effects during the outflow of a gas suspension partially filling a cylindrical channel // Kompyut. Issled. i Model., 2023, vol. 15, no. 6, pp. 1495–1506. (in Russian)
  10. Fedorov A.V., Khmel T.A., Lavruk S.A. Exit of a heterogeneous detonation wave into a channel with expansion // Goreniye i Vzryv, 2017, vol. 10, no. 3, pp. 58–63. (in Russian)
  11. Volkov K.N. Qualitative analysis and numerical modeling of particle motion in a channel with permeable walls taking into account the action of mass forces // Inzh.-Fiz. zh., 2013, vol. 86, no. 6, pp. 1212–1218. (in Russian)
  12. Abed A.H., Shcheklein S.E., Pakhaluev V.M. Heat transfer of a spherical element with air-water aerosol in a cylindrical channel // Thermoph.&Aeromech., 2020, vol. 27, no. 1, pp. 105–115. (in Russian)
  13. Xu Z., Yu X., Han Z., Wang Y. Simulation of particle fouling characteristics with improved modeling on two different tubes // Powder Technol., 2021, vol. 382, pp. 398–405.
  14. Xiao W., Jin T., Luo K., Dai Q., Fan J. Eulerian–Lagrangian direct numerical simulation of preferential accumulation of inertial particles in a compressible turbulent boundary layer // J. of Fluid Mech., 2020, vol. 903. https://doi.org/10.1017/jfm.2020.601
  15. Trusov P.V., Zaitseva N.V., Tsinker M.Yu., Babushkina A.V. Modeling the flow of dusty air in the respiratory tract // Rus. zh. Biomekh., 2018, vol. 22, no. 3, pp. 301–314. (in Russian)
  16. Shirokova E.N. Numerical study of pulsed jet flow of an inhomogeneous gas-dispersed mixture // Fiz.-Khim. Kinetika v Gaz. Din., 2022, vol. 23, no. 4, pp. 72–83. (in Russian)
  17. Zemerev E.S., Malinin V.I. Analysis of the flow of a powder-gas medium in a conical channel with an outlet // Vestn. Perm. Nats. Issled. Politekhn. Univ. Aerokosm. Tekhn., 2016, no. 47, pp. 154–176. (in Russian)
  18. Enikeev I.K. Mathematical modeling of gas-dust flows in nozzle-type separators // Teplofiz. &Aeromekh., 2020, vol. 27, no. 1, pp. 99–108.
  19. Ali S., Waheed K., Qureshi K., Irfan N., Ahmed M., Siddique W., Farooq A. Experimental investigation of aerosols removal efficiency through self-priming venturi scrubber // Nuclear Engng. &Techn., 2020, vol. 52, no. 10, pp. 2230–2237.
  20. Bolotnova R.K., Gainullina E.F. Influence of heat transfer on decreasing intensity of a spherical explosion in aqueous foam // Fluid Dyn., 2019, vol. 54, no. 7, pp. 970–977.
  21. Xiu Z., Nie W., J Yan J., Chen D., Cai P., Liu Q., Du T., Yang B. Numerical simulation study on dust pollution characteristics and optimal dust control air flow rates during coal mine production // J. of Cleaner Prod., 2020, vol. 248.
  22. Salakhova E.I., Zinurov V.E., Kharkov V.V., Glukhova P.E., Lavrikov V.A., Nikolaev A.N. Numerical modeling of gas purification from solid suspended particles in a separation device with concave reflective elements // Nauch.-Tekh. Vestn. Povolzhya, 2023, no. 8, pp. 10–14. (in Russian)
  23. Vatuzov D.N. Theoretical prerequisites for the creation of air purification devices in tubes and slot channels from highly dispersed droplet aerosol // Gradostr. i Arkhit., 2016, vol.25, no. 4, pp. 40–43. (in Russian)
  24. Ferreira R., Falco D., Oliveira V., Pinto A. 1D+ 3D two-phase flow numerical model of a proton exchange membrane fuel cell // Appl. Energy, 2017, vol. 203, pp. 474–495.
  25. Alkhedhair A., Jahn I., Gurgenci H., Guan Z., He S., Lu Y. Numerical simulation of water spray in natural draft dry cooling towers with a new nozzle representation approach // Appl. Thermal Engng., 2016, vol. 98, pp. 924–935.
  26. Yan X., Zhou Y., Diao H., Gu H., Li Y. Development of mathematical model for aerosol deposition under jet condition // Annals of Nuclear Energy, 2020, vol. 142.
  27. Tukmakov A.L. Model of motion and sedimentation of a charged gas suspension in an electric field // J. of Engng. Phys.&Thermophys., 2014, vol. 87, no. 1, pp. 38–47.
  28. Nigmatulin R.I., Gubaidullin D.A., Tukmakov D.A. Shock wave dispersion of gas–particle mixtures // Dokl. Phys., 2016, vol. 61, no. 2, pp. 70–73.
  29. Tukmakov A.L., Tukmakov D.A. Dynamics of a charged gas suspension with an initial spatially nonuniform distribution of the average dispersed phase density during the transition to the equilibrium state // High Temp., 2017, vol. 55, no. 4, pp. 491–495.
  30. Tukmakov D.A. Numerical investigation of the influence of properties of the gas component of a suspension of solid particles on the spreading of a compressed gas-suspension volume in a binary medium // J. of Engng. Phys.&Thermophys., 2020, vol. 93, no. 2, pp. 291–297.
  31. Tukmakov A.L., Tukmakov D.A. Numerical study of the influence of the parameters of dispersed particles on the deposition of the solid phase of an electrically charged polydisperse gas suspension // Izv. Saratov. Univ.. Novaya ser. Ser.: Matem. Mekh. Inform., 2022, vol. 22, no. 1, pp. 90–102. (in Russian)
  32. Gubajdullin D.A., Tukmakov D.A. Numerical study of the effect of polydispersity on the mass transfer of the dispersed phase during the passage of a shock wave through a gas suspension // Fluid Dyn., 2023, vol. 58, no. 7, pp. 1373–1383.
  33. Fletcher C.A. Computation Techniques for Fluid Dynamics. Berlin: Springer, 1988. 502 p.
  34. Muzafarov I.F., Utyuzhnikov S.V. Application of compact difference schemes to the study of unsteady compressible gas flows // Matem. Modelir., 1993, no. 3, pp. 74–83. (in Russian)

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. General scheme of the modeled flow

Download (11KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Spatial distribution along the cross-section of the velocity modulus of homogeneous gas and gas-suspension carrier medium - y (x = L/2), moment of time t = 30 ms

Download (11KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Spatial distribution of the velocity modulus of the carrier medium and dispersed phase fractions: a) carrier medium; b) fraction d1 = 2 μm; c) fraction d3 = 8 μm; d) fraction d5 = 40 μm.

Download (52KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Spatial distribution along the cross-section - y (x = L/2) of the velocity modulus of the dispersed phase fractions of the gas suspension, at the moment of time t = 30 ms

Download (14KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Spatial distribution along the cross-section - y (x = L/2) of the velocity difference modulus of the carrier medium and dispersed phase fractions - y (x = L/2), t = 30 ms

Download (14KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».