ISSN 1995-2732 (Print), 2412-9003 (Online)
УДК 620.93
DOI: 10.18503/1995-2732-2026-24-3-171-179
Аннотация
Постановка задачи (актуальность работы). Течения многокомпонентных газовых смесей встречаются в различных промышленных технологиях. В связи с этим возникает задача исследования динамических процессов в многокомпонентных газовых смесях. Исследуются как технологии разделения газовых смесей, так и течения гомогенных смесей газов в различных промышленных аппаратах. Цель работы. Целью работы является как исследование процесса выравнивания плотности смеси с начальным неравномерным распределением компонент газовой смеси. Используемые методы. Для описания данного процесса существует несколько подходов, в данной работе применен подход, основанный на решении полной гидродинамической системы уравнений движения. Применяется диффузионное приближение динамики неоднородных сред, описывающее течение вязкой, сжимаемой и теплопроводной среды с учетом двухкомпонентного состава и взаимной диффузии компонент. Для каждой из компонент смеси решалось уравнение неразрывности с учетом взаимной диффузии компонент. Система уравнений интегрировалась явным конечно-разностным методом второго порядка точности со схемой расщепления по пространственным направлениям. Для подавления численных осцилляций применялась схема нелинейной коррекции численного решения. Новизна. В математической модели учитывалась двухмерная геометрия, вязкость, сжимаемость и теплопроводность смеси, а также диффузия компонент смеси. Результат. В работе получены результаты, демонстрирующие транспортирные свойства численной схемы. Также выявлено, что процесс выравнивания средней плотности смеси сопровождается колебательным процессом плотности смеси. Предоставлены временные зависимости общей плотности смеси в различных точках расчетной области и двухмерные графики распределения параметров смеси. Практическая значимость. Практической значимостью было выявление свойств численной модели для исследования динамических процессов в гомогенных газовых смесях.
Ключевые слова
Работа выполнялась в рамках государственного задания Федерального исследовательского центра Казанского научного центра Российской академии наук.
Для цитирования
Тукмаков А.Л., Тукмаков Д.А., Ахунов А.А. Численное моделирование вырывания плотности в двухкомпонентной газовой смеси вязких сжимаемых теплопроводных газов // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2026. Т. 24. №3. С. 171-179. https://doi.org/10.18503/1995-2732-2026-24-3-171-179
1. Sabouri M., Roohi E. Inversion in binary gas mixtures in rarefied flow conditions: Direct simulation Monte Carlo solution and comparison with the analytical solutions at free molecular regime // Physics of Fluids. 2023, vol. 35, no. 7.
2. Мухамбетова А., Косов В.Н. Особенности многокомпонентного изотермического смешения газовых смесей на границе «диффузия-конвекция» // Universum: технические науки. 2022. № 5-8. С. 27-30.
3. Bhowmik P.K., Schlegel J.P. Multicomponent gas mixture parametric CFD study of condensation heat transfer in small modular reactor system safety // Experimental and Computational Multiphase Flow. 2023, vol. 5, no. 1, pp. 15-28.
4. Zhou B., Sun J., Sun Y. Investigation on Laminar Flow and Heat Transfer of Helium–Xenon Gas Mixtures with Variable Properties // Energies. 2023, vol. 16, no. 4
5. Влияние угла наклона канала на конвективное смешение, вызванное неустойчивостью механического равновесия тройной газовой смеси при изотермической диффузии / Асембаева М.К., Косов В.Н., Красиков С.А., Федоренко О.В. // Письма в Журнал технической физики. 2019. Т. 45. № 21. С. 7-10.
6. Косов В.Н., Мукамеденкызы В., Федоренко О.В. Некоторые особенности смешения тройных газовых смесей на границе смены режимов «диффузия - концентрационная гравитационная конвекция» в квазистационарных условиях // Вестник Московского государственного областного университета. Серия: Естественные науки. 2018. № 2. С. 125-133.
7. Расчет термодиффузионных характеристик газов в рамках кинетических теорий разреженные газы / Богатырев А.Ф., Макеенкова О.А., Кучеренко М.А., Григорьев Е.Б. // Научно-технический сборник «Вести газовой науки». 2021. № 4. С. 110-118.
8. Каграманов Г.Г., Гуркин В.Н., Фарносова Е.Н. Влияние растворимости газов на эффективность мембранных процессов, на примере разделения смесей Нe/СH4 и СO2/СH4 // Мембраны и мембранные технологии. 2020. Т. 10. № 4. С. 249-256.
9. Черчинцев В.Д., Савина Ю.Е. Совершенствование абсорбционных процессов улавливания диоксида серы из газов агломерационного производства // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2012. № 1. С. 21-23.
10. Методология создания ресурсосберегающих циклических установок адсорбционного разделения и очистки газовых смесей / Акулинин Е.И., Голубятников О.О., Дворецкий Д.С., Дворецкий С.И. // Математические методы в технологиях и технике. 2021. № 1. С. 15-19.
11. Условия инициирования детонации в стехиометрической водородно-воздушной смеси стримерным разрядом / Булат П.В., Волков К.Н., Грачев Л.П., Есаков И.И., Раваев А.А. // Инженерно-физический журнал. 2023. Т. 96. № 6. С. 1481-1486.
12. Злотник А.А., Федченко А.С.О свойствах квазигазодинамической системы уравнений гомогенной газовой смеси с общей регуляризующей скоростью // Дифференциальные уравнения. 2022. Т. 58. № 3. С. 346-360.
13. Каменева А.Л., Сошина Т.О. Физико-механические свойства пленок на основе Тi-Аl-N, формируемых импульсным магнетронным распылением при переменном давлении газовой смеси // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2013. № 4 (44). С. 60-64.
14. Елизарова Т.Г., Шильников Е.В. Численное моделирование газовых смесей в рамках квазигазодинамического подхода на примере взаимодействия ударной волны с пузырьком газа // Журнал вычислительной математики и математической физики. 2021. Т. 61. № 1. С. 124-135.
15. Пескова Е.Е., Снытников В.Н. Численное исследование конверсии метановых смесей под воздействием лазерного излучения // Журнал Средневолжского математического общества. 2023. Т. 25. № 3. С. 159-173.
16. Назаров А.А., Поникаров С.И. Апробация математической модели радиационного теплообмена многоатомных газов в установках вакуумного дегидрирования углеводородов // Теоретические основы химической технологии. 2020. Т. 54. № 4. С. 480-495.
17. Борисов В.Е., Рыков Ю.Г. Моделирование течений многокомпонентных газовых смесей с использованием метода двойного потока // Математическое моделирование. 2020. Т. 32. № 10. С. 3-20.
18. Кутушев А.Г. Математическое моделирование волновых процессов в аэродисперсных и порошкообразных средах. Санкт-Петербург: Недра, 2003. 284 с.
19. Нигматулин Р.И. Основы механики гетерогенных сред. М.: Наука, 1978. 336 с.
20. Нигматулин Р.И., Губайдуллин Д.А., Тукмаков Д.А. Ударно-волновой разлет газовзвесей // Доклады Академии наук. 2016. Т. 466. № 4. С. 418-421.
21. Тукмаков Д.А. Численное моделирование движения и отражения ударных волн высокой интенсивности в неоднородной среде // Физика и техника высоких давлений. 2019. Т. 29. № 4. С. 18-26.
22. Тукмаков Д.А. Численное исследование влияния свойств газовой составляющей взвеси твердых частиц на разлет сжатого объема газовзвеси в двухкомпонентной среде // Инженерно-физический журнал. 2020. Т. 93. № 2. С. 304-310.
23. Тукмаков Д.А. Численное исследование интенсивных ударных волн в запыленных средах с однородной и двухкомпонентной несущей фазой // Компьютерные исследования и моделирование. 2020. Т. 12. № 1. С. 141-154.
24. Тукмаков Д.А. Конечно-разностная модель динамики гомогенной смеси в применении к исследованию распространения и отражения ударной волны большой интенсивности в водородно-воздушной среде // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе. 2020. № 1. C. 86–97.
25. Флетчер К. Вычислительные методы в динамике жидкостей. Т. 2. М.: Мир, 1991. 551 с.
26. Ковеня В.М., Тарнавский Г.А., Черный С.Г. Применение метода расщепления в задачах аэродинамики. Новосибирск: Наука, 1990. 247 с.
27. Музафаров И.Ф., Утюжников С.В. Применение компактных разностных схем к исследованию нестационарных течений сжимаемого газа // Математическое моделирование. 1993. №3. С.74-83.
28. Красильников В.А., Крылов В.В. Введение в физическую акустику. М.: Наука, 1984. 403 с.