NUMERICAL SIMULATION OF AEROSOL OSCILLATIONS IN A CUBIC ACOUSTIC RESONATOR
- Authors: Tukmakov D.A1, Tukmakova N.A2
-
Affiliations:
- Federal Research Center Kazan Scientific Center of the Russian Academy of Sciences
- A.N. Tupolev Kazan National Research Technical University
- Issue: Vol 18, No 1 (2022)
- Pages: 3-11
- Section: Articles
- URL: https://journals.eco-vector.com/2500-0640/article/view/630747
- DOI: https://doi.org/10.7868/S25000640220101
- ID: 630747
Cite item
Abstract
This work is devoted to modeling aerosol oscillations in a cubic acoustic resonator, as well as in an acoustic resonator in the form of a tube, in which the height is an order of magnitude greater than the width. The mathematical model took into account the viscosity, compressibility and thermal conductivity of the carrier medium. For each of the phases of the mixture, gas and dispersed, a complete hydrodynamic system of equations was solved, including the equation of continuity of mass, spatial components of momentum and energy. Interfacial interaction included momentum exchange and heat transfer. The interphase momentum exchange took into account the force of aerodynamic drag, the dynamic force of Archimedes and the force of the added masses. The equations were integrated by a second-order accurate finite-difference method. A nonlinear correction scheme was used to suppress numerical oscillations. The equations of the mathematical model were supplemented with boundary conditions – for the components of the velocity of the carrier and dispersed phases of the mixture, homogeneous Dirichlet boundary conditions on fixed surfaces and homogeneous Neumann boundary conditions for the remaining physical parameters of the mixture were set. The change in the vertical component of the velocity was set on the moving surfaces. Numerical calculations of aerosol oscillations in the tube are compared with the results of a physical experiment; the comparison has shown acceptable results. The work revealed the regularities of the influence of the volumetric content on the dynamics of the mixture components. The calculation results demonstrate that the magnitude of the change in the pressure amplitude and velocity of the carrier medium and the velocity of the dispersed phase are inversely proportional to the volumetric content of the dispersed phase. The revealed regularity is explained by an increase in the interphase interaction with an increase in the concentration of the dispersed phase. Also, an increase in the volumetric content of aerosol leads to a decrease not only in the amplitude of oscillations, but also in the resonance frequency.
About the authors
D. A Tukmakov
Federal Research Center Kazan Scientific Center of the Russian Academy of Sciences
Email: tukmakovda@imm.knc.ru
Kazan, Russian Federation
N. A Tukmakova
A.N. Tupolev Kazan National Research Technical UniversityKazan, Russian Federation
References
- Нигматулин Р.И. 1987. Динамика многофазных сред. Часть 1. М., Наука: 464 с.
- Кутушев А.Г. 2003. Математическое моделирование волновых процессов в аэродисперсных и порошкообразных средах. СПб., Недра: 284 с.
- Федоров А.В., Фомин В.М., Хмель Т.А. 2015. Волновые процессы в газовзвесях частиц металлов. Новосибирск, Параллель: 301 с.
- Лойцянский Л.Г. 2003. Механика жидкости и газа. М., Дрофа: 784 с.
- Федяев В.Л. 2009. Математическое моделирование и оптимизация градирен. Труды Академэнерго. 3: 91–107.
- Волошин А.М., Салюков В.В., Громов В.С., Зарецкий Я.В., Серазетдинов Ф.Ш., Тонконог В.Г., Явкин В.Б., Голованов А.А. 2010. Разработка и создание устройств очистки транспортируемого газа. Газовая промышленность. 1: 73–75.
- Губайдуллин Д.А., Зарипов Р.Г., Ткаченко Л.А., Шайдуллин Л.Р. 2017. Экспериментальное исследование коагуляции и осаждения газовзвеси в закрытой трубе при переходе к ударно-волновому режиму. Теплофизика высоких температур. 55(3): 484–486. doi: 10.7868/S0040364417030097
- Шайдуллин Л.Р., Кабиров А.А. 2020. Экспериментальное исследование колебаний газа и аэрозоля в кубическом резонаторе вблизи резонанса. В кн.: Волны и вихри в сложных средах. 11-ая международная конференция (Москва, 1–3 декабря 2020 г.). М., ИСПО-принт: 236–237.
- Аганин А.А., Ильгамов М.А. 1994. Нелинейные колебания газа в закрытой трубе. Прикладная механика и техническая физика. 35(6): 39–43.
- Нестеров С.В., Акуленко Л.Д., Байдулов В.Г. 2016. Собственные колебания акустического резонатора с локальной перегородкой. Доклады Академии наук. 470(3): 279–282. doi: 10.7868/S0869565216270104
- Gubaidullin D.A., Osipov P.P., Abdyushev A.A. 2021. Simulation using the limiting velocity approach of acoustic streaming establishment and aerosol particle focusing in complex-shaped acoustofluidic devices. Applied Mathematical Modelling. 92: 785–797. doi: 10.1016/j.apm.2020.10.022
- Тукмаков А.Л., Тукмаков Д.А. 2011. Применение неявной конечно-разностной схемы с весами для моделирования колебаний газа в акустическом резонаторе. Вестник Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева. 4: 119–127.
- Тонконог В.Г., Тукмаков Д.А. 2013. Нелинейные колебания газовзвеси и дрейф твердой фазы в акустическом резонаторе проточного типа. Инженерно-физический журнал. 86(3): 576–583.
- Тукмаков Д.А. 2020. Численное исследование влияния свойств газовой составляющей взвеси твердых частиц на разлет сжатого объема газовзвеси в двухкомпонентной среде. Инженерно-физический журнал. 93(2): 304–310.
- Тукмаков Д.А., Ахунов А.А. 2020. Численное исследование влияния электрического заряда дисперсной фазы на распространение ударной волны из чистого газа в запылённую среду. Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 20(3): 183–192. doi: 10.18500/1817-3020-2020-20-3-183-192
- Флетчер К. 1991. Вычислительные методы в динамике жидкостей. В 2-х томах. Т. 2. М., Мир: 552 с.
- Тукмаков А.Л. 2003. Хаотические колебания аэроупругой системы с синхронизацией при противофазном возбуждении. Прикладная механика и техническая физика. 44(6): 49–55.
- Музафаров И.Ф., Утюжников С.В. 1993. Применение компактных разностных схем к исследованию нестационарных течений сжимаемого газа. Математическое моделирование. 5(3): 74–83.
- Ландау Л.Д., Лифшиц Е.В. 1986. Теоретическая физика. Гидродинамика. М., Наука: 736 с.
- Красильников В.А., Крылов В.В. 1984. Введение в физическую акустику. М., Наука: 403 с.
Supplementary files
![](/img/style/loading.gif)