Numerical Simulation of the Interaction of a Shock Wave with a Foam Layer Using a Two-Fluid Approach

P. A. Chuprov; Чупров П. А.; P. S. Utkin; Уткин П. С.; S. V. Fortova; Фортова С. В.; A. D. Kiverin; Киверин А. Д.

doi:10.31857/S0040364423030067

Numerical Simulation of the Interaction of a Shock Wave with a Foam Layer Using a Two-Fluid Approach

Authors: Chuprov P.A.¹^,2, Utkin P.S.¹, Fortova S.V.², Kiverin A.D.¹
Affiliations:
1. Joint Institute for High Temperatures, Russian Academy of Sciences
2. Institute for Computer Aided Design, Russian Academy of Sciences
Issue: Vol 61, No 3 (2023)
Pages: 443-451
Section: Articles
URL: https://journals.rcsi.science/0040-3644/article/view/232684
DOI: https://doi.org/10.31857/S0040364423030067
ID: 232684

Cite item

Full Text

Open Access
Restricted Access

Access granted
Restricted Access

Subscription Access

Abstract
About the authors
References
Supplementary files
Statistics

Abstract

The article studies the applicability of the Baer–Nunziato two-fluid model to the problem of interaction of a shock wave with a foam layer. The determining system of equations is formulated. A computational algorithm based on the Harten–Lax–Van Leer scheme with contact discontinuity resolution, including phase velocity and pressure relaxation stages, is proposed and described in detail. Using the proposed computational technology, the problem of propagation of a weak perturbation in a two-phase medium is considered. The propagation velocity obtained is close to the estimate using Wood formula. The problem of the interaction of a shock wave with a foam layer near an impenetrable wall is also considered. The formulation corresponds to full-scale experiments. The nonstationary wave dynamics realized in this problem using the proposed model is described. Good qualitative and quantitative agreement is obtained between the calculation results and experimental data.

References

Британ А.Б., Зиновик И.Н., Левин В.А. Разрушение пены ударными волнами // ФГВ. 1992. № 5. С. 108.
Sembian S., Liverts M., Apazidis N. Attenuation of Strong External Blast by Foam Barriers // Phys. Fluids. 2016. V. 28. № 9. 096105.
Kichatov B., Korshunov A., Kiverin A., Son E. Foamed Emulsion – Fuel on the Base of Water-saturated Oils // Fuel. 2017. V. 203. P. 261.
Kichatov B., Korshunov A., Gubernov V., Kiverin A., Yakovenko I. Combustion of Heptane-in-Water Emulsion Foamed with Hydrogen–Oxygen Mixture // Fuel Proc. Technol. 2020. V. 198. 106230.
Kichatov B., Korshunov A., Kiverin A., Medvetskaya N. Combustion of Foamed Emulsion Prepared via Bubbling of Oxygen–Nitrogen Gaseous Mixture through the Oil-in-Water Emulsion // Fuel Proc. Technol. 2019. V. 186. P. 25.
Яковенко И.С., Киверин А.Д. Развитие нестационарных процессов горения во вспененных эмульсиях // ТВТ. 2022. Т. 60. № 6. С. 928.
Суров В.С. Об отражении воздушной ударной волны от слоя пены // ТВТ. 2000. Т. 38. № 1. С. 101.
Губайдуллин Д.А., Зарипов Р.Р. Влияние фазовых переходов на распространение акустических волн в многофракционных газовзвесях с полидисперсными включениями // ТВТ. 2021. Т. 59. № 1. С. 133.
Губайдуллин Д.А., Федоров Ю.В. Акустические волны в жидкости с газовыми включениями, имеющими жидкую прослойку и вязкоупругую оболочку // ТВТ. 2021. Т. 59. № 4. С. 533.
Kiverin A., Yakovenko I., Kichatov B., Korshunov A. Ignition and Non-stationary Combustion of the Foamed Heptane-in-Water Emulsion: Experimental and Numerical Analysis // Fuel. 2022. V. 320. 123824.
Kiverin A., Yakovenko I. Numerical Modeling of Combustion and Detonation in Aqueous Foams // Energies. 2021. V. 14. № 19. 6233.
Poroshyna Y.E., Utkin P.S. Numerical Simulation of a Normally Incident Shock Wave – Dense Particles Layer Interaction Using the Godunov Solver for the Baer–Nunziato Equations // Int. J. Multiphase Flow. 2021. V. 142. 103718.
Baer M.R., Nunziato J.W. A Two-phase Mixture Theory for the Deflagration-to-detonation Transition in Reactive Granular Materials // Int. J. Multiphase Flow. 1986. V. 12. № 6. P. 861.
Saurel R., Abrall R. A Multiphase Godunov Method for Compressible Multifluid and Multiphase Flows // J. Comput. Phys. 1999. V. 150. P. 425.
Уткин П.С., Фортова С.В. Математическое моделирование высокоскоростного взаимодействия металлических пластин в рамках двухжидкостного эйлерова подхода // ЖВМиМФ. 2018. Т. 58. № 8. С. 90.
Chuprov P., Utkin P., Fortova S. Numerical Simulation of a High-Speed Impact of Metal Plates Using a Three-Fluid Model // Metals. 2021. V. 11. № 8. 1233.
Baer M.R. A Numerical Study of Shock Wave Reflections on Low Density Foam // Shock Waves. 1992. V. 2. P. 121.
Warren W.E., Kraynik A.M. The Nonlinear Elastic Behavior of Open-cell Foams // J. Appl. Mech. 1991. V. 58. P. 376.
Toro E.F., Spruce M., Speares W. Restoration of the Contact Surface in the HLL-Riemann Solver // Shock Waves. 1994. V. 4. P. 25.
Чупров П.А., Порошина Я.Э., Уткин П.С. Численное моделирование прохождения ударной волны над плотным слоем частиц в рамках уравнений Баера–Нунциато // Горение и взрыв. 2022. Т. 15. № 2. С. 67.
Уткин П.С. Математическое моделирование взаимодействия ударной волны с плотной засыпкой частиц в рамках двухжидкостного подхода // Хим. физика. 2017. Т. 36. № 11. С. 61.
Wood A. A Textbook of Sound. London: G. Bell, 1941.
Британ А.Б., Зиновик И.Н., Левин В.А., Митичкин С.Ю., Тестов В.Г., Хайбо Ху. Особенности распространения газодинамических возмущений при взаимодействии ударных волн с двухфазными средами пенистой структуры // ЖТФ. 1995. Т. 65. № 7. С. 19.
Кутушев А.Г., Рудаков Д.А. Численное исследование воздействия ударной волны на преграду, экранируемую слоем пористой порошкообразной среды // ПМТФ. 1993. № 5. С. 25.
Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред. Ч. 1. М.: Наука, 1987.