Моделирование нестационарного течения газовзвеси, возникающего при взаимодействии ударной волны со слоем частиц

К.Н. Волков; В.Н. Емельянов; А.Г. Карпенко; И.В. Тетерина

doi:10.26089/NumMet.v21r109

DOI: https://doi.org/10.26089/NumMet.v21r109

Моделирование нестационарного течения газовзвеси, возникающего при взаимодействии ударной волны со слоем частиц

Авторы

К.Н. Волков
В.Н. Емельянов
А.Г. Карпенко
И.В. Тетерина

Ключевые слова:

двухфазное течение

численное моделирование

ударная волна

частица

концентрация

Аннотация

На основе модели взаимопроникающих континуумов проводится численное моделирование нестационарного течения газовзвеси, возникающего при взаимодействии ударной волны со слоем инертных частиц. Каждая фаза описывается набором уравнений, выражающих законы сохранения массы, импульса и энергии. Межфазное взаимодействие учитывается при помощи источниковых членов в уравнениях изменения количества движения и энергии. Основные уравнения для газовой и дисперсной фаз имеют гиперболический тип, допускают запись в консервативной форме и решаются с использованием численного метода типа Годунова повышенного порядка точности. Для дискретизации уравнений по времени применяется метод Рунге-Кутты 3-го порядка. Построенная модель позволяет рассчитывать широкий спектр режимов течения газовзвеси, возникающих при изменении объемной концентрации дисперсной фазы. Обсуждаются вопросы, связанные с замыканием математической модели, а также детали реализации численной модели. Приводятся ударно-волновая структура течения и пространственно-временные зависимости концентрации частиц и других параметров потока.

Загрузки

Опубликован

2020-03-05

Выпуск

Том 21 (2020): Выпуск 1.

Раздел

Раздел 1. Вычислительные методы и приложения

Авторы

К.Н. Волков

Балтийский государственный технический университет «Военмех» имени Д.Ф. Устинова,
факультет ракетно-космической техники
1-я Красноармейская ул., 1, 190005, Санкт-Петербург
• ведущий научный сотрудник

В.Н. Емельянов

А.Г. Карпенко

Санкт-Петербургский государственный университет,
математико-механический факультет
Университетский проспект, 28, 198504, Санкт-Петербург
• доцент

И.В. Тетерина

Библиографические ссылки

K. N. Volkov and V. N. Emel’yanov, Flows of Gas with Particles (Fizmatlit, Moscow, 2008) [in Russian].
Kh. A. Rakhmatulin, “Fundamentals of the Gasdynamics of Interpenetrating Motions of Continuous Media,” Prikl. Mat. Mekh. 20 (2), 184-195 (1956).
A. N. Kraiko and L. E. Sternin, “Theory of Flows of a Two-Velocity Continuous Medium Containing Solid or Liquid Particles,” Prikl. Mat. Mekh. 29 (3), 418-429 (1965) [J. Appl. Math. Mech. 29 (3), 482-496 (1965)].
H. Staedtke, G. Franchello, B. Worth, et al., “Advanced Three-Dimensional Two-Phase Flow Simulation Tools for Application to Reactor Safety (ASTAR),” Nucl. Eng. Des. 235 (2-4), 379-400 (2005).
R. I. Nigmatulin, Dynamics of Multiphase Media (Nauka, Moscow, 1987; Hemisphere, New York, 1990).
A. N. Kraiko, “On Correctness of the Cauchy Problem for a Two-Fluid Model of a Gas Flow Containing Particles,” Prikl. Mat. Mekh. 46 (3), 420-428 (1982) [J. Appl. Math. Mech. 46 (3), 327-333 (1982)].
A. N. Osiptsov, “Investigation of Regions of Unbounded Growth of the Particle Concentration in Disperse Flows,” Izv. Akad. Nauk SSSR, Mekh. Zhidk. Gaza, No. 3, 46-52 (1984) [Fluid Dyn. 19 (3), 378-385 (1984)].
M. R. Baer and J. W. Nunziato, “A Two-Phase Mixture Theory for the Deflagration-to-Detonation Transition (DDT) in Reactive Granular Materials,” Int. J. Multiph. Flow 12 (6), 861-889 (1986).
Y.-Y. Niu, “Numerical Approximations of a Compressible Two Fluid Model by the Advection Upwind Splitting Method,” Int. J. Numer. Methods Fluids 36 (3), 351-371 (2001).
P. Embid and M. Baer, “Mathematical Analysis of a Two-Phase Continuum Mixture Theory,” Continuum Mech. Therm. 4, 279-312 (1992).
E. F. Toro, “Riemann-Problem-Based Techniques for Computing Reactive Two-Phase Flows,” in Lecture Notes in Physics (Springer, Heidelberg, 1989), Vol. 351, pp. 472-481.
I. Toumi, “An Upwind Numerical Method for Two-Fluid Two-Phase Flow Models,” Nucl. Sci. Eng. 123 (2), 147-168 (1996).
C.-H. Chang and M.-S. Liou, “A Robust and Accurate Approach to Computing Compressible Multiphase Flow: Stratified Flow Model and AUSM^+-up Scheme,” J. Comput. Phys. 225 (1), 840-873 (2007).
N. Andrianov and G. Warnecke, “The Riemann Problem for the Baer-Nunziato Model of Two-Phase Flows,” J. Comput. Phys. 195 (2), 434-464 (2004).
D. W. Schwendeman, C. W. Wahle, and A. K. Kapila, “The Riemann Problem and a High-Resolution Godunov Method for a Model of Compressible Two-Phase Flow,” J. Comput. Phys. 212 (2), 490-526 (2006).
V. Deledicque and M. V. Papalexandris, “An Exact Riemann Solver for Compressible Two-Phase Flow Models Containing Non-conservative Products,” J. Comput. Phys. 222 (1), 217-245 (2007).
S. Karni and G. Hernández-Dueñas, “A Hybrid Algorithm for the Baer-Nunziato Model Using the Riemann Invariants,” J. Sci. Comput. 45, 382-403 (2010).
C. A. Lowe, “Two-Phase Shock-Tube Problems and Numerical Methods of Solution,” J. Comput. Phys. 204 (2), 598-632 (2005).
C. Parés, “Numerical Methods for Nonconservative Hyperbolic Systems: A Theoretical Framework,” SIAM J. Numer. Anal. 44 (1), 300-321 (2006).
S. Rhebergen, O. Bokhove, and J. J. W. van der Vegt, “Discontinuous Galerkin Finite Element Methods for Hyperbolic Nonconservative Partial Differential Equations,” J. Comput. Phys. 227 (3), 1887-1922 (2008).
S. A. Tokareva and E. F. Toro, “HLLC-Type Riemann Solver for the Baer-Nunziato Equations of Compressible Two-Phase Flow,” J. Comput. Phys. 229 (10), 3573-3604 (2010).
R. V. R. Pandya and F. Mashayek, “Two-Fluid Large-Eddy Simulation Approach for Particle-Laden Turbulent Flows,” Int. J. Heat Mass Tran. 45 (24), 4753-4759 (2002).
B. Shotorban, “Preliminary Assessment of Two-Fluid Model for Direct Numerical Simulation of Particle-Laden Flows,” AIAA J. 49 (2), 438-443 (2011).
L. I. Zaichik, O. Simonin, and V. M. Alipchenkov, “An Eulerian Approach for Large Eddy Simulation of Particle Transport in Turbulent Flows,” J. Turbul. 10 (9), 1-21 (2009).
B. Shotorban and S. Balachandar, “Two-Fluid Approach for Direct Numerical Simulation of Particle-Laden Turbulent Flows at Small Stokes Numbers,” Phys. Rev. E 79 (2009).
doi 10.1103/PhysRevE.79.056703
B. Shotorban, G. B. Jacobs, O. Ortiz, and Q. Truong, “An Eulerian Model for Particles Nonisothermally Carried by a Compressible Fluid,” Int. J. Heat Mass Tran. 65, 845-854 (2013).
F. Mashayek and R. V. R. Pandya, “Analytical Description of Particle/Droplet-Laden Turbulent Flows,” Prog. Energy Combust. Sci. 29 (4), 329-378 (2003).
B. Vreman, B. Geurts, and H. Kuerten, “Realizability Conditions for the Turbulent Stress Tensor in Large-Eddy Simulation,” J. Fluid Mech. 278, 351-362 (1994).
L. Y. M. Gicquel, P. Givi, F. A. Jaberi, and S. B. Pope, “Velocity Filtered Density Function for Large Eddy Simulation of Turbulent Flows,” Phys. Fluids 14 (3), 1196-1213 (2002).
T. Saito, “Numerical Analysis of Dusty-Gas Flows,” J. Comput. Phys. 176 (1), 129-144 (2002).
F. Laurent, M. Massot, and P. Villedieu, “Eulerian Multi-Fluid Modeling for the Numerical Simulation of Coalescence in Polydisperse Dense Liquid Sprays,” J. Comput. Phys. 194 (2), 505-543 (2004).
D. Kah, F. Laurent, M. Massot, and S. Jay, “A High Order Moment Method Simulating Evaporation and Advection of a Polydisperse Liquid Spray,” J. Comput. Phys. 231 (2), 394-422 (2012).
R. J. LeVeque, Finite Volume Methods for Hyperbolic Problems (Cambridge University Press, New York, 2002).
P. V. Bulat and K. N. Volkov, “One-Dimensional Gas Dynamics Problems and Their Solution Based on High-Resolution Finite Difference Schemes,” Nauchno-Tekhn. Vestn. Inform. Tekhnol. Mekhan. Optiki 15 (4), 731-740 (2015).
J. D. Regele, J. Rabinovitch, T. Colonius, and G. Blanquart, “Numerical Modeling and Analysis of Early Shock Wave Interactions with a Dense Particle Cloud,” AIAA Paper (2012).
doi 10.2514/6.2012-3161

Получено редакцией: 2020-03-05

Принято в выпуск: 2020-03-26

Опубликовано: 2020-07-22

Цитировать как

Волков К.Н., Емельянов В.Н., Карпенко А.Г., Тетерина И.В. Моделирование нестационарного течения газовзвеси, возникающего при взаимодействии ударной волны со слоем частиц // Вычислительные методы и программирование. 2020. 21, № 1. 96–114. doi 10.26089/NumMet.v21r109.

TEX CODE:

{\it Волков~К.Н., Емельянов~В.Н., Карпенко~А.Г., Тетерина~И.В.}
Моделирование нестационарного течения газовзвеси, возникающего при взаимодействии ударной волны со слоем частиц~//
Вычислительные методы и программирование. 2020.
\textbf{21}, \No~1. 96--114.
doi~10.26089/NumMet.v21r109.

Volkov K. , Emelyanov V. , Karpenko A.  et al.,  (2020) “Simulation of unsteady gas-particle flow induced by the shock-wave interaction with a particle layer,” Numerical Methods and Programming, vol. 21, no. 1, pp. 96–114. https://doi.org/10.26089/NumMet.v21r109

TEX CODE:

Volkov~K.~, Emelyanov~V.~, Karpenko~A.~ et~al., (2020)
``Simulation of unsteady gas-particle flow induced by the shock-wave interaction with a particle layer,''
{\it Numerical Methods and Programming}, vol.~21, no.~1, pp.~96--114.
https://doi.org/10.26089/NumMet.v21r109

K.  Volkov, V.  Emelyanov, A.  Karpenko et al.,  “Simulation of unsteady gas-particle flow induced by the shock-wave interaction with a particle layer,” Numerical Methods and Programming 21, no. 1 (2020): 96–114, https://doi.org/10.26089/NumMet.v21r109

TEX CODE:

K.~ Volkov, V.~ Emelyanov, A.~ Karpenko~et~al.,
``Simulation of unsteady gas-particle flow induced by the shock-wave interaction with a particle layer,''
{\it Numerical Methods and Programming}, no.~1 (2020): 96--114,
https://doi.org/10.26089/NumMet.v21r109

Volkov K. , Emelyanov V. , Karpenko A.  et al. Simulation of unsteady gas-particle flow induced by the shock-wave interaction with a particle layer. Numerical Methods and Programming. 2020;21(1):96–114.. DOI:10.26089/NumMet.v21r109

TEX CODE:

Volkov~K.~, Emelyanov~V.~, Karpenko~A.~ et~al.
Simulation of unsteady gas-particle flow induced by the shock-wave interaction with a particle layer.
Numerical Methods and Programming. 2020;21(1):96--114..
DOI:10.26089/NumMet.v21r109