Численное моделирование динамики электрически заряженного многофракционного аэрозоля, движущегося в канале под действием силы кулона и аэродинамических сил
DOI:
https://doi.org/10.33910/2687-153X-2023-4-3-112-123Ключевые слова:
численное моделирование, аэрозоли, полидисперсная газовзвесь, электрически заряженные средыАннотация
Данная работа посвящена математическому моделированию динамики электрически заряженного аэрозоля в канале. Исследование связано с моделированием процессов работы электрического фильтра дисперсных сред. Для оптимизации технологий электрической фильтрации дисперсных сред необходимо понимание закономерностей динамики заряженных дисперсных частиц в электрическом поле. Математическая модель реализована в виде компьютерной программы. Программный код представляет собой конечно-разностный численный алгоритм решения уравнений математической модели. Моделируемая среда состоит из двух компонент: первая компонента — вязкий сжимаемый теплопроводный газ, для описания динамики которого используется система уравнений Навье-Стокса; вторая компонента представляет собой электрически заряженные частицы. Математическая модель учитывала межкомпонентный обмен импульсом и теплом. Дисперсная составляющая аэрозоля описывалась с учетом многофракционного состава. Каждая фракция имеет свой размер частиц, плотность и теплоемкость материала. В работе предполагалось, что к стенкам канала прикладывался электрический потенциал: отрицательный потенциал прикладывался к нижней стенке, а положительный — к верхней стенке канала.
Проведены расчеты движения многофракционной электрически заряженной газовзвеси в канале. Рассматривалось два случая — в первом случае все фракции дисперсной компоненты аэрозоля имеют одну физическую плотность материла и различные размеры частиц. Второй случай — частицы имеют один размер и отличаются плотностью материала. Выявлено, что при одинаковой плотности материала вертикальная скорость частицы и интенсивность процесса осаждения больше при увеличении размера частиц. Также выявлено, что при одинаковом размере частиц более интенсивно осаждаются частицы с большей плотностью материала. Выявленные закономерности возможно использовать при оптимизации технологий электрической фильтрации дисперсных сред.
Библиографические ссылки
Altunin, V. A., Altunin, K. V., Aliev, I. N. et al. (2012) Analysis of investigations of electric fields in different media and conditions. Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 85 (4), 959–976. https://doi.org/10.1007/s10891-012-0736-4 (In English)
Bastykova, N. K., Kodanova, S. K., Ramazanov, T. S. et al. (2021) Investigation of the evolution of Be, Ni, Mo, and W dust grains in fusion plasma. Plasma Physics Reports, 47 (1), 92–95. https://doi.org/10.1134/S1063780X21010049 (In English)
Chekalov, L. V., Guzaev, V. A., Smirnov, M. E. (2021) Povyshenie effektivnosti elektrofil’trov teplovykh elektrostantsij putem sovershenstvovaniya osaditel’nykh elektrodov [Enhancement the efficiency of electrostatic precipitators of thermal power plants by improving the electrodes volume]. Elektricheskie stantsii — Electrical Stations, 7, 48–54. http://dx.doi.org/10.34831/EP.2021.1080.7.008 (In Russian)
Fedorov, A. V., Fomin, V. M., Khmel, T. A. (2015) Volnovye protsessy v gazovzvesyakh chastits metallov [Wave processes in gas suspensions of metal particles]. Novosibirsk: Parallel’ Publ., 305 p. (In Russian)
Fletcher, C. A. (1988) Computation techniques for fluid dynamics. Berlin: Springer-Verlag, 502 p. (In English)
Ignatov, A. M. (2020) Nonlinear dynamics of a linear dust particle chain. Plasma Physics Reports, 46 (9), 936–942. https://doi.org/10.1134/S1063780X20090044 (In English)
Kolotinskii, D. A., Nikolaev, V. S., Timofeev, A. V. (2021) Effect of structural inhomogeneity and nonreciprocal effects in the interaction of macroparticles on the dynamic properties of a dusty plasma monolayer. Journal of Experimental and Theoretical Physics Letters, 113 (8), 510–517. https://doi.org/10.1134/S0021364021080063 (In English)
Krylov, V. I., Bobkov, V. V., Monastyrnyj, P. I. (1977) Vychislitel’nyye metody. T. 2 [Computational methods. Vol. 2]. Moscow: Nauka Publ., 401 p. (In Russian)
Kutushev, A. G. (2003) Matematicheskoe modelirovanie volnovykh protsessov v aerodispersnykh i poroshkoobraznykh sredakh [Mathematical simulation of wave processes in aero dispersed and powdered media]. Saint Petersburg: Nedra Publ., 284 p. (In Russian)
Loitsyansky, L. G. (2003) Mekhanika zhidkosti i gaza [Mechanics of fluid and gas]. Moscow: Drofa Publ., 784 p. (In Russian)
Muzafarov, I. F., Utyuzhnikov, S. V. (1993) Primenenie kompaktnykh raznostnykh skhem k issledovaniyu nestatsionarnykh techenij szhimaemogo gaza. [Application of compact difference schemes to the study of unsteady flows of a compressible gas]. Matematicheskoe modelirovanie, 5 (3), 74–83. (In Russian)
Nigmatullin, R. I. (1978) Osnovy mekhaniki geterogennykh sred [Fundamentals of the mechanics of heterogeneous media]. Moscow: Nauka Publ., 336 p. (In Russian)
Salyanov, F. A. (1997) Osnovy fiziki nizkotemperaturnoj plazmy, plazmennykh apparatov i tekhnologij [Fundamentals of low-temperature plasma physics, plasma apparatuses and technologies]. Moscow: Nauka Publ., 240 p. (In Russian)
Sinkevich, O. A. (2016) On the instability of the electrically charged interface between a two-phase thundercloud and turbulent atmosphere. High Temperature, 54 (6), 775–781. https://doi.org/10.1134/S0018151X16060201 (In English)
Tada, Y., Yoshioka, S., Takimoto, A., Hayashi, Y. (2016) Heat transfer enhancement in a gas–solid suspension flow by applying electric field. International Journal of Heat and Mass Transfer, 93, 778–787. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2015.09.063 (In English)
Tukinakov, D. A. (2019) Numerical simulation of shock-wave flows in a gas suspension with inhomogeneous concentration of the dispersed phase. Russian Aeronautics, 62 (1), 59–65. https://doi.org/10.3103/S1068799819010082 (In English)
Tukmakov, A. L. (2003) Origination of in-phase oscillations of thin plates with aeroelastic interaction. Journal of Applied Mechanics and Technical Physics, 44 (1), 64–68. https://doi.org/10.1023/A:1021729729960 (In English)
Tukmakov, A. L., Tukmakov, D. A. (2017) 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 Temperature, 55 (4), 491–495. (In English)
Tukmakov, D. A. (2022a) One-dimensional continuum finite-difference model of the dynamics of a dusty medium in aerodynamic, electric and gravitational fields. Journal of Physics: Conference Series, vol. 2270. II International Conference “Gas Discharge Plasma and Synthesis of Nanostructures”, article 012016. http://dx.doi.org/10.1088/1742-6596/2270/1/012016 (In English)
Tukmakov, D. A. (2022b) One-dimensional unsteady numerical model of gas suspension flow caused by gravitational sedimentation of particles with a constant velocity. Journal of Applied Mechanics and Technical Physics, 63 (7), 1218–1226. https://doi.org/10.1134/S0021894422070148 (In English)
Tukmakov, D. A. (2023) Numerical simulation of oscillations of aerosol with a low dispersed phase concentration in a closed tube by the continuum mathematical model. Technical Physics, 67 (12), 764–770. https://doi.org/10.1134/S1063784222110032 (In English)
Verzhbitsky, V. M. (2002) Osnovy chislennykh metodov [Fundamentals of numerical methods]. Moscow: Vysshaya shkola Publ., 840 p. (In Russian)
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2023 Тукмаков Дмитрий Алексеевич
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.
Автор предоставляет материалы на условиях публичной оферты и лицензии CC BY-NC 4.0. Эта лицензия позволяет неограниченному кругу лиц копировать и распространять материал на любом носителе и в любом формате, но с обязательным указанием авторства и только в некоммерческих целях. После публикации все статьи находятся в открытом доступе.
Авторы сохраняют авторские права на статью и могут использовать материалы опубликованной статьи при подготовке других публикаций, а также пользоваться печатными или электронными копиями статьи в научных, образовательных и иных целях. Право на номер журнала как составное произведение принадлежит издателю.
