Известия Саратовского университета.

Новая серия. Серия Физика

ISSN 1817-3020 (Print)
ISSN 2542-193X (Online)


Для цитирования:

Аманбаев Т. Р., Изтаев Ж. Д., Тилеуов Г. Е., Абдусалиев Н. А. Моделирование и расчет течений дисперсных сред в канале с внезапным расширением при наличии нуклеации, коагуляции и фазовых переходов // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2024. Т. 24, вып. 2. С. 102-113. DOI: 10.18500/1817-3020-2024-24-2-102-113, EDN: ILIDLM

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Опубликована онлайн: 
28.06.2024
Полный текст в формате PDF(Ru):
(загрузок: 17)
Язык публикации: 
русский
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
532.529+628.335
EDN: 
ILIDLM

Моделирование и расчет течений дисперсных сред в канале с внезапным расширением при наличии нуклеации, коагуляции и фазовых переходов

Авторы: 
Аманбаев Тулеген Рахманович, Южно-Казахстанский государственный университет им. М. Ауэзова
Изтаев Жалгасбек Дулатович, Южно-Казахстанский государственный университет им. М. Ауэзова
Тилеуов Гамидулла Есболович, Южно-Казахстанский государственный университет им. М. Ауэзова
Абдусалиев Нурислам Алдиярулы, Южно-Казахстанский государственный университет им. М. Ауэзова
Аннотация: 

С помощью квазиравновесной модели, основанной на уравнениях механики многофазных сред, изучено течение дисперсной смеси в канале с внезапным расширением при наличии процессов нуклеации (зародышеобразования), коагуляции зародышей (кластеров) и фазовых переходов (испарения, конденсации) в двумерной постановке. Для описания процесса зародышеобразования используется модель гомогенной нуклеации. Считается, что процесс коагуляции кластеров происходит за счет их броуновского движения, при этом для коэффициента коагуляции берется выражение, соответствующее монодисперсным сферическим частицам. Для определения скорости фазовых переходов используется формула Герца – Кнудсена – Ленгмюра. Считалось, что в узкой части канала при определенных условиях беспрерывно появляются зародыши дисперсной фазы, которые попадают с потоком в расширенную часть канала. В качестве примера рассмотрено течение дисперсной смеси с зародышами воды в собственном паре. Расчеты проведены с помощью численного метода крупных частиц. Показано, что течение имеет вихревую структуру, причем в зоне вихря формируются наиболее крупные частицы (кластеры). Расчетами установлено, что процесс коагуляции достаточно сильно влияет на распределение размеров кластеров внутри канала. Обнаружено, что степень переохлаждения пара существенно влияет на приведенную плотность дисперсной фазы (в частности, увеличение этого параметра на 50% приводит к росту приведенной плотности дисперсной фазы в среднем примерно на три порядка). Установлено, что картина течения, полученная с помощью численных расчетов, согласуется с экспериментом.

Список источников: 
  1. Нигматулин Р. И. Динамика многофазных сред : в 2 ч. М. : Наука, 1987. Ч. 1. 456 с.
  2. Zhang Y., Erkey C. Preparation of supported metallic nanoparticles using supercritical fluids: A review // J. Supercrit. Fluids. 2006. Vol. 38, iss. 2. P. 252–267. https://doi.org/10.1016/j.supflu.2006.03.021
  3. Weber M., Russell L. M., Debenedetti P. G. Mathematical modeling of nucleation growth formed by the rapid expansion of supercritical solution under subsonic conditions // J. Supercrit. Fluids. 2002. Vol. 23, iss. 1. P. 65–80. https://doi.org/10.1016/S0896-8446(01)00134-6
  4. Jun Li, Matos H. A., Gomes de Azevedo E. Two-phase homogenous model for particle formation gas saturated solution process // J. Supercrit. Fluids. 2004. Vol. 32, iss. 1–3. P. 275–286. https://doi.org/10.1016/j.supflu.2004.01.004
  5. Волков В. А., Муслаев А. В., Пирумов У. Г., Розовский П. В. Неравновесная конденсация паров металла в смеси с инертным газом при расширении в соплах установок для генерации кластерных пучков // Известия РАН. Механика жидкости и газа. 1995. № 3. С. 39–46.
  6. Волков В. А., Муслаев А. В., Розовский П. В. Численное моделирование неравновесной конденсации паров металла в сверхзвуковом сопле // Математическое моделирование. 1990. Т. 2, № 11. С. 56–63.
  7. Пирумов У. Г. Перспективные методы получения ультрадисперсных частиц в высоскоростных потоках // Проблемы машиностроения и надежности. 1996. № 1. С. 94–116.
  8. Аникеев В. И., Степанов Д. А., Ермакова А. Моделирование и расчет процесса быстрого расширения сверхкритического флюида с образованием наночастиц // Теоретические основы химической технологии. 2011. Т. 45, № 2. С. 155–169.
  9. Jung J., Perrut M. Particle design using supercritical fluids: Literature and patent survey // J. Supercrit. Fluids. 2001. Vol. 20, iss. 3. P. 179–219. https://doi.org/10.1016/S0896-8446(01)00064-X
  10. Amanbaev T. R., Tilleuov G. E., Zuparbekova A. Mathematical modeling of dispersed media flows in the presence of nucleation, coagulation and phase transitions // Bulletin of the Karaganda University. Physics Series. 2021. № 2. P. 14–24. https://doi.org/10.31489/2021ph2/14-24
  11. Тимошенко В. И. Квазигомогенная модель газодисперсных течений с химическими реакциями и фазовыми переходами // Докл. НАН Укр. 2018. № 2. С. 34–42. https://doi.org/10.15407/dopovidi2018.02.034
  12. Волощук В. М., Седунов Ю. С. Процессы коагуляции в дисперсных системах. Л. : Гидрометеоиздат, 1975. 351 с.
  13. Галкин В. А. Уравнение Смолуховского. М. : Физматлит, 2001. 336 с.
  14. Анисимов М. П. Нуклеация: теория и эксперимент // Успехи химии. 2003. Т. 72, № 7. С. 664–705. https://doi.org/10.1070/RC2003v072n07ABE H000761
  15. Karthika S., Radhakrishnan T. K., Kalaichelvi P. A review of classical and nonclassical nucleation theories // Crist. Growth Des. 2016. Vol. 16, № 11. P. 6663–6681. https://doi.org/10.1021/acs.cgd.6b00794
  16. Боровкова О. В., Восель С. В., Онищук А. А., Бакланов А. М., Фомин В. М. Экспериментальное изучение гомогенной нуклеации пересыщенного пара висмута. Оценка поверхностного натяжения критических зародышей // Доклады РАН. Физическая химия. 2013. Т. 449, № 1. С. 1–5. https://doi.org/10.7868/S0869565213070141
  17. Левашов В. Ю., Майоров В. О., Крюков А. П. Влияние гомогенной нуклеации на параметры пара вблизи поверхности испарения: упрощенный подход // Письма в ЖТФ. 2022. Т. 48, вып. 21. С. 6–9. https://doi.org/10.21883/PJTF.2022.21.53703.19342
  18. Белоцерковский О. М., Давыдов Ю. М. Метод крупных частиц в газовой динамике. М. : Наука, 1985. 365 с.
  19. Нигматулин Р. И., Ивандаев А. И., Губайдуллин А. А. Модифицированный метод «крупных частиц» для расчета нестационарных волновых процессов в многофазных дисперсных средах // Журн. вычисл. матем. и матем. физ. 1977. Т. 17, № 6. С. 1531–1544.
  20. Вукалович М. П., Ривкин С. Л., Александров А. А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара. М. : Изд-во стандартов, 1969. 654 с.
  21. Yamada H., Matsui T. Preliminary study of mutual slip-through of a pair of vortices // Phys. Fluids. 1978. Vol. 21. P. 292–294. https://doi.org/10.1063/1.862206
  22. Ван-Дайк M. Альбом течений жидкости и газа. M. : Мир, 1986. 184 с.
Поступила в редакцию: 
12.02.2024
Принята к публикации: 
02.04.2024
Опубликована: 
28.06.2024