DOI: https://doi.org/10.26089/NumMet.v21r319

Влияние двумерных эффектов на взаимодействие ударной волны с облаком частиц

Авторы

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

Ключевые слова:

двухфазное течение
численное моделирование
ударная волна
частица
концентрация
облако частиц

Аннотация

В рамках статистического подхода, основанного на кинетическом уравнении для функции плотности вероятности распределения скорости и температуры частиц, построена континуальная модель, описывающая псевдотурбулентные течения дисперсной фазы. Введение функции плотности вероятности позволяет получить статистическое описание ансамбля частиц вместо динамического описания отдельных частиц на основе уравнений движения и теплопереноса типа Ланжевена. На основе уравнений для первых и вторых моментов дисперсной фазы проводится численное моделирование нестационарного течения газовзвеси, возникающего при взаимодействии ударной волны с облаком частиц. Основные уравнения имеют гиперболический тип, записываются в консервативной форме и решаются с использованием численного метода типа Годунова повышенного порядка точности. Обсуждается влияние двумерных эффектов на формирование ударно-волновой структуры течения и пространственно-временны´е зависимости концентрации частиц и других параметров потока.

Новые вычислительные технологии

Загрузки

Опубликован

2020-09-27

Выпуск

Том 21 (2020): Выпуск 3.

Раздел

Методы и алгоритмы вычислительной математики и их 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

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

А.Г. Карпенко

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

И.В. Тетерина

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

Библиографические ссылки

  1. R. K. Eckhoff, Dust Explosions in the Process Industries (Gulf Professional Publ., Houston, 2003).
  2. K. N. Volkov and V. N. Emel’yanov, Flows of Gas with Particles (Fizmatlit, Moscow, 2008) [in Russian].
  3. K. N. Volkov, Yu. N. Deryugin, V. N. Emel’yanov, A. S. Kozelkov, and I. V. Teterina, Difference Schemes in Gas Dynamics on Unstructured Grids (Fizmatlit, Moscow, 2014) [in Russian].
  4. G. Ben-Dor, “Dust Entrainment by Means of a Planar Shock Induced Vortex over Loose Dust Layers,” Shock Waves 4, 285-288 (1995).
  5. D. Lhuillier, C.-H. Chang, and T. G. Theofanous, “On the Quest for a Hyperbolic Effective-Field Model of Disperse Flows,” J. Fluid Mech. 731, 184-194 (2013).
  6. T. G. Theofanous, V. Mitkin, and C.-H. Chang, “The Dynamics of Dense Particle Clouds Subjected to Shock Waves. Part 1. Experiments and Scaling Laws,” J. Fluid Mech. 792, 658-681 (2016).
  7. T. G. Theofanous and C.-H. Chang, “The Dynamics of Dense Particle Clouds Subjected to Shock Waves. Part 2. Modeling/Numerical Issues and the Way Forward,” Int. J. Multiphase Flow 89, 177-206 (2017).
  8. J. 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
  9. J. D. Regele, J. Rabinovitch, T. Colonius, and G. Blanquart, “Unsteady Effects in Dense, High Speed, Particle Laden Flows,” Int. J. Multiphase Flow 61, 1-13 (2014).
  10. J. L. Wagner, S. J. Beresh, S. P. Kearney, et al., “A Multiphase Shock Tube for Shock Wave Interactions with Dense Particle Fields,” Exp. Fluids 5 (2), 1507-1517 (2012).
  11. A. Clemins, “Representation of Two-Phase Flows by Volume Averaging,” Int. J. Multiphase Flow 14 (1), 81-90 (1988).
  12. G. Jacobs, W.-S. Don, and T. Dittmann, “Computation of Normal Shocks Running into a Cloud of Particles using a High-Order Particle-Source-in-Cell Method,” AIAA Paper (2009).
    doi 10.2514/6.2009-1310
  13. T. Dittmann, G. Jacobs, and W.-S. Don, “Dispersion of a Cloud of Particles by a Moving Shock: Effects of Shape, Angle of Incidence and Aspect Ratio,” AIAA Paper (2012).
    doi 10.2514/6.2011-441
  14. Z. Hosseinzadeh-Nik, S. Subramaniam, and J. D. Regele, “Investigation and Quantification of Flow Unsteadiness in Shock-Particle Cloud Interaction,” Int. J. Multiphase Flow 101, 186-201 (2018).
  15. O. Sen, N. J. Gaul, S. Davis, et al., “Role of Pseudo-Turbulent Stresses in Shocked Particle Clouds and Construction of Surrogate Models for Closure,” Shock Waves 28 (3), 579-597 (2018).
  16. Y. Mehta, C. Neal, K. Salari, et al., “Propagation of a Strong Shock over a Random Bed of Spherical Particles,” J. Fluid Mech. 839, 157-197 (2018).
  17. T. G. Theofanous, V. Mitkin, C.-H. Chang, “Shock Dispersal of Dilute Particle Clouds,” J. Fluid Mech. 841, 732-745 (2018).
  18. A. N. Osnes, M. Vartdal, M. G. Omang, and B. A. P. Reif, “Computational Analysis of Shock-Induced Flow through Stationary Particle Clouds,” Int. J. Multiphase Flow 114, 268-286 (2019).
  19. S. P. Medvedev, S. M. Frolov, and B. E. Gel’fand, “Attenuation of Shock Waves by Screens of Granular Material,” Inzh. Fiz. Zh. 58 (6), 924-928 (1990) [J. Eng. Phys. Thermophys. 58 (6), 714-718 (1990)].
  20. P. S. Utkin, “Mathematical Modeling of the Interaction of a Shock Wave with a Dense Cloud of Particles within the Framework of the Two-Fluid Approach,” Khim. Fiz. 36 (11), 61-71 (2017) [Russ. J. Phys. Chem. B 11, 963-973 (2017)].
  21. A. Abe, K. Takayama, and K. Itoh, “Experimental and Numerical Study of Shock Wave Propagation over Cylinders and Spheres,” WIT Trans. Model. Sim. 30, 209-218 (2001).
  22. M. Mehrabadi, S. Tenneti, R. Garg, and S. Subramaniam, “Pseudo-Turbulent Gas-Phase Velocity Fluctuations in Homogeneous Gas-Solid Flow: Fixed Particle Assemblies and Freely Evolving Suspensions,” J. Fluid Mech. 770, 210-246 (2015).
  23. B. Sun, S. Tenneti, S. Subramaniam, and D. L. Koch, “Pseudo-Turbulent Heat Flux and Average Gas-Phase Conduction during Gas-Solid Heat Transfer: Flow Past Random Fixed Particle Assemblies,” J. Fluid Mech. 798, 299-349 (2016).
  24. 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 Transf. 65, 845-854 (2013).
  25. K. N. Volkov, V. N. Emel’yanov, A. G. Karpenko, and I. V. Teterina, “Simulation of Unsteady Gas-Particle Flow Induced by the Shock-Wave Interaction with a Particle Layer,” Vychisl. Metody Programm. 21, 96-114 (2020).
  26. R. V. R. Pandya and F. Mashayek, “Two-Fluid Large-Eddy Simulation Approach for Particle-Laden Turbulent Flows,” Int. J. Heat Mass Transf. 45 (24), 4753-4759 (2002).