Численное моделирование колебаний электрически заряженной газовзвеси в акустическом резонаторе с электрическим потенциалом на стенках

Дмитрий Алексееевич Тукмаков

Журнал: Вестник Пермского университета. Математика. Механика. Информатика @vestnik-psu-mmi

Рубрика: Механика

Статья в выпуске: 3 (74), 2026 года.

Бесплатный доступ

Работа посвящена численному моделированию колебаний электрически заряженной газовзвеси в акустическом резонаторе с электрическими потенциалами, приложенными к стенкам резонатора. Математическая модель реализовывала континуальную методику моделирования динамики многофазных сред в эйлеровых координатах, позволяющею учесть взаимодействие газа и дисперсной фазы. Динамика несущей среды описывается системой уравнений Навье–Стокса для сжимаемого теплопроводного газа. Проведены расчеты динамики аэрозолей в монодисперсном приближении для различных размеров дисперсных включений электрически нейтральной и электрически заряженной газовзвесей. Исследовано влияние объемного содержания дисперсной фазы и размера дисперсных включений на интенсивность колебаний несущей среды и дисперсной фазы без учета и с учетом влияния силы Кулона. Численные расчеты демонстрируют, что в электрически нейтральной газовзвеси при увеличении объемного содержания дисперсной фазы и уменьшении размера частиц, при их фиксированном объемном содержании, скорость колебаний несущей среды и дисперсной компоненты уменьшается. Скорость колебаний мелкодисперсных частиц согласуется со скоростью колебаний несущей среды. Выявлено, что в электрически заряженных газовзвесях скорость движения компонент газовзвеси больше, чем в электрически нейтральной газовзвеси. Что можно объяснить тем, что за счет осаждения дисперсных частиц на стенках резонатора под действием электрического поля уменьшается влияние дисперсной фазы на колебания несущей среды. В результате большей скорости движения несущей среды в электрически заряженной газовзвеси дисперсные частицы также имеют большею скорость в сравнении со скоростью дисперсных частиц в электрически нейтральной газовзвеси. Численные расчеты демонстрируют, что в газовзвесях с большим объемным содержанием и в газовзвесях с меньшим размером дисперсных включений влияние электрического поля на динамику компонент смеси имеют более выраженное значение, чем в газовзвесях с малым содержанием дисперсной фазы или в газовзвесях с крупнодисперсными частицами.

механика жидкости и газа \ многофазные среды \ электрогидродинамика \ континуальная методика \ численное моделирование

Короткий адрес: https://sciup.org/147255349

IDS: 147255349   |   УДК: 519.6:532.529   |   DOI: 10.17072/1993-0550-2026-3-71-86

Numerical Simulation of Oscillations of an Electrically Charged Gas Suspension in an Acoustic Resonator With an Electric Potential on the Walls

This paper presents numerical simulations of oscillations of an electrically charged gas suspension in an acoustic resonator with electric potentials applied to the resonator walls. The mathematical model utilizes a continuum technique for modeling the dynamics of multiphase media in Euler coordinates, accounting for the interaction between the gas and the dispersed phase. The dynamics of the carrier medium are described by a system of Navier-Stokes equations for a compressible, heat-conducting gas. Aerosol dynamics are calculated in the monodisperse approximation for various sizes of dispersed inclusions in electrically neutral and electrically charged gas suspensions. The influence of the volume content of the dispersed phase and the size of the dispersed inclusions on the oscillation intensity of the carrier medium and the dispersed phase is investigated, with and without the influence of the Coulomb force. Numerical calculations demonstrate that in an electrically neutral gas suspension, with an increasing volume fraction of the dispersed phase and a decreasing particle size, at a fixed volume fraction, the oscillation velocity of the carrier medium and the dispersed component decreases. The oscillation velocity of fine particles is consistent with the oscillation velocity of the carrier medium. The study has found that in electrically charged gas suspensions, the velocity of the gas suspension components is greater than in an electrically neutral gas suspension. This can be explained by the fact that the deposition of dispersed particles on the resonator walls under the influence of the electric field reduces the influence of the dispersed phase on the oscillations of the carrier medium. As a result of the higher velocity of the carrier medium in an electrically charged gas suspension, the dispersed particles also have a higher velocity compared to the velocity of dispersed particles in an electrically neutral gas suspension. Numerical calculations demonstrate that in gas suspensions with a high-volume content and in gas suspensions with a smaller size of dispersed inclusions, the influence of the electric field on the dynamics of the mixture components is more pronounced than in gas suspensions with a low content of the dispersed phase or in gas suspensions with coarse particles.

Текст научной статьи Численное моделирование колебаний электрически заряженной газовзвеси в акустическом резонаторе с электрическим потенциалом на стенках

Лицензировано по CC BY 4.0. Чтобы посмотреть копию этой лицензии, посетите

Пермского университета. Математика. Механика. Информатика. 2026. № 3(74). С. 71-86. DOI: 10.17072/1993-0550-2026-3-71-86.

Одной из проблем механики жидкости и газа является исследование колебаний сплошных сред (жидкостей и газов) в замкнутых объемах [1]. Частным случаем сплошных сред являются неоднородные среды [2]. Проблемам динамики неоднородных сред посвящен ряд монографий и статей в периодической печати [1–17]. В монографии [3] разработаны основы теории динамики многофазных и многокомпонентных сред, основанные на уравнениях механики сплошных сред, представлены уравнения континуальной методики моделирования течений многофазных сред. В монографии [4] на основе континуальной методики моделирования многофазных сред разработаны математические модели одномерной нестационарной динамики газовзвесей без учета вязкости несущей среды. В публикации [5] рассматриваются различные теоретические проблемы исследования воздействия акустических полей на дисперсные частицы с целью приложения в медицинских технологиях и технологиях промышленной экологии. В статье [6] с помощью численного решения двухмерного уравнения Гельмгольца исследованы течения газа с мелкодисперсными частицами в каналах с прямоугольным сечением под действием резонансных акустических полей. В работе [7] изучались газодинамические процессы в технологиях электрической фильтрации газодисперсных сред, в которых происходит улавливание аэрозольных частиц из воздушного потока при использовании комбинированных фильтрующих систем. В публикации [8] проводится исследование нового типа акустического резонатора с радиальным возбуждающим электрическим полем. Рассчитаны характеристики различных мод акустических колебаний для резонаторов. В статье [9] представлена математическая модель пылевых ионизационных волн и пылевых акустических волн. Теоретический подход основан на уравнениях движения и непрерывности массы для пылевых частиц и уравнении Пуассона для электрического поля. Выявлены физические закономерности пылевых акустических волн. Уравнения математической модели рассматривалась в нестационарном приближении с одномерной геометрией процесса. В публикации [10] с помощью асимптотических методов в приближении первого порядка малости исследованы динамические процессы слабо заряженных капель естественного происхождения в электрическом и акустическом полях. Расчеты проводятся на модели идеальной несжимаемой электропроводной жидкости. В работе [11] с помощью математического моделирования исследовано влияние электрического поля на траектории колебаний заряженных микронных диэлектрических частиц в линейной квадрупольной ловушке в воздухе при атмосферном давлении. Математическая модель основана на решении уравнения Ланжевена без учета уравнений газовой динамики в качестве силы межфазного обмена импульсом для получения линейного дифференциального уравнения рассматривалась только сила Стокса.

Целью представленных в обзоре работ является исследование динамических процессов в газодисперсных средах в том числе аэрозолей, движущихся в электрическом поле. Актуальность работы связана с тем, что воздействие акустических и электрических полей на аэрозоли могут применяться в различных технологиях очистки промышленных выбросов от дисперсных включений. В данной работе проводится моделирование течений газодисперсных сред в рамках континуальной эйлеровой математической модели для исследования колебаний электрически заряженной газовзвеси в закрытом акустическом резонаторе.

Новизна работы заключается в том, что применение континуальной методики моделирования течений газовзвесей позволяет исследовать взаимообратные физические эффекты, возникающие в течениях электрически заряженных газовзвесей. В монодис-персном приближении исследованы колебания электрически заряженных газодисперсных сред в акустических полях с учетом осаждения дисперсной компоненты на стенках канала.

Математическая модель и численный алгоритм

Для описания движения неоднородной среды применяется система уравнений динамики двухскоростной и двухтемпературной газовзвеси с учетом взаимодействия компонент смеси. Одним из наиболее важных параметров дисперсной компоненты гетерогенной смеси является "средняя плотность", представляющая собой произведение объемного содержания дисперсной компоненты на физическую плотность материала дисперсной фазы [3,4]. Физическая плотность материала дисперсных включений в процессе течения многофазной среды не изменяется. При этом объемное содержание является функцией временной и пространственных переменных. Все дисперсные включения предполагались одинакового размера и сферической формы [4]. Движение несущей среды описывается двумерной системой уравнений Навье–Стокса для сжимаемого теплопроводного газа с учетом межфазного обмена импульсом и теплообмена (1)–(4) [12– 14]. Динамика дисперсной фазы описывалась системой уравнений включавшей в себя уравнения сохранения средней плотности (5), уравнениями сохранения составляющих импульса (6)–(7) и уравнением сохранения энергии дисперсной фазы (8), также система движения газодисперсной смеси дополнялась уравнением Пуассона, описывающем распределение электрического поля (9):

Ф + д ( р и ) + a ( p v ) — 0 д t д x      д у      ’

д(р u ) д /   2          \ д /          \   „     д p

( р u + "  - Т х ^ ( Р U v - Т ХУ ) = F xi + а д Х ■

^P v )+— (р uv - т )+— (р v 3 + p - т )=- F + а— , д t дх[        ху’ ду[           Ху>у    д у

д ( e ) д(<          !          .д T l д(г           -I           .д T

+ I e + p - и - т - 1 +I e + p -     v - т u - 1

д t д х [[        хх J ху д х ) д у ^ L         yy J ху д у

Ф( ри ) д ( pv ) ч   д х      д у

= Q -| F ( u - u i ) -| F ( v - v i ) +а

д ( Р 1 u i ) , д ( P i v i ) =0 д t      д х        д у      ,

д ( P i ui )     д (    2\ д /        v           д p

Д,  + г(Pi ui ) + г(Piuivi) — F-а^, дt     дх^     ' ду                 дх

д ( P 1 v i )    д /       \ д /    2\           д p

+dPiuivi’■ ■ (P vi) = Fy-а ■ д t    д х         д у     7

д(e)   д , д 8 (     \„

+г(eiui l-     lei vi) = -Q, д t д х        д уv’

Лф = P i q о ,

Р 1 = а Р10- ^ 1 = Р 1Ф1Ф

Тензор вязких напряжений несущей среды вычисляется следующим образом [15]:

г      (о дu  2 nl тг- Ц 2D , хх Ч дх  3  ) уу

|%дv  2

— ц 2

I ду  3

д u  д v ху — Ц    +    ’

^д у  д х )

д u   д v

D — — + —.

д х   д у

Межфазный обмен импульсом включал в себя силу аэродинамического сопротивления

- F ad , динамическую силу Архимеда - F da , силу присоединенных масс - F ma [3]:

F

AMx

F. =

1 ADx

3 а,- ф 4 dC d Р^(

F

DAx

u

—

u 1

d u

) 2 + (

d u

v —

v 1 ) 2 (

d u

u—

= ap-- + u --+ v— ,

^ d t     d x     d y y

n ( du    du    du

= 0. 5ap--+ u

\ dt    dx    dy

—

' i

—

d u u —1 1 d x

u1 ) -

—

du.

v 1 —1

J

,

3 α

Fr =-- x

u — u ) 2 + ( v — v ) 2 ( u — u ) + a p

d u

--+ u d t

d u

d u

---+ v --- + d x       d y ,

+ 0 . 5ap

3 a

F =-- y 4 d

d u

d u

I d t

d x

d u   d u 1

d y    d t

—

du. u —1 1 d x

—

du v1^T -fy J

u — u ) 2 + ( v — v ) 2 ( v — v ) + a p

Л r (dv   dv   dv

+0. 5ap--+ u+

^ dt    dx    dy

—

—

d v

d v

d v

--+ u --+ v— +

dv.

v —1 d x

d t

d x

d У J

—

dv.

v 1 —1

д У J

.

Компоненты вектора межфазного силового взаимодействия включают в себя силу аэродинамического сопротивления, динамическую силу Архимеда и силу присоединенных масс [3], также при описании динамики частиц учитывается сила Кулона [16]. Здесь p , p , u, v - давление, плотность, декартовы составляющие скорости несущей среды в направлении осей х и у соответственно; Т , е - температура и полная энергия газа; p 1, Т 1 , е 1 , u 1 , v 1 - средняя плотность, температура, внутренняя энергия, декартовы составляющие скорости дисперсной фазы, F k - составляющие вектора силового взаимодействия дисперсной фазы и несущей среды, k = 1, 2; Q - тепловой поток между дисперсной фазой и несущей средой [1-3]; А - теплопроводность, р -вязкость несущей среды. Температура несущей среды находится из уравнения T = (γ– 1) ( e /p-0.5( u 2+ v 2)) /R, где R - газовая постоянная несущей фазы, у — постоянная адиабаты. Внутренняя энергия взвешенной в газе дисперсной фазы определяется как e 1 =pC p T , где С р - удельная теплоемкость единицы массы вещества дисперсной фазы. Тепловой поток между компонентами смеси описывается выражением: Q=6aNu i A(T-T 1 )d 2. Число Нуссельта определяется с помощью известной аппроксимации в зависимости от относительных чисел Маха, Рейнольдса и от числа Прандтля [3, 4]:

M 1 = V — V|/с , Re 1 = p V — Vd и —1 , Pr = C p цХ —1 ,

Nu 1 = 2exp(-M 12 ) + 0.459/?e [ 55Pra33.

Коэффициент аэродинамического сопротивления вычислялся с использованием следующего выражения [3,4]:

’ - 24     4

+ 0 . 4 .

d = Re. + Re ° - 5

Математическая модель приемлема для расчетов двухфазных течений с параметрами [4]:

0 1 <  2 , 0 < Re 1 <  2·105.

Составляющие силы Кулона на единицу объема газовзвеси определяются через ее удельный заряд, объемную плотность твердой фазы и напряженность электрического поля. Потенциал электрического поля в расчетной области определяется из решения уравнения Пуассона. В правой части уравнения Пуассона содержится плотность заряда газовзвеси, отнесенная к абсолютной диэлектрической проницаемости несущей среды [16]:

10 - 9

36 n

Ф/ м.

div E = ^ , E = -Vp , A2 ^ = - —, p 3n = ap 20 • q 0 = P 2 • q 0 , e 0 =

^0                  SSo где qo - удельный заряд единицы массы твердой фракции, ф - потенциал электрического поля.

Система уравнений (1)-(6) интегрировалась явным конечно-разностным методом Мак-Кормака второго порядка точности [15]. Рассмотрим применение численного алгоритма явного метода Мак-Кормака на примере скалярного нелинейного уравнения в частных производных (10):

df   da(f)   da(f)     , fy

■         .      ■ Q c(

Алгоритм явного конечно-разностного метода Мак-Кормака [15] для скалярного нелинейного уравнения (9) имеет вид (11)-(12):

f * - fn — — Cnn

J j,к J j,k ax (a j +

-afo-^bj^-bjM+Atfr

)+ 0.5^tcf. (12)

/Р = opf]\ + fp) - os^a j- - oj-ut) - 0^(1, ;* - ь;^

Здесь Δ х, Δ y - шаги по пространственному направлению, Δ t – шаг по времени.

В расчетах применялась схема расщепления по пространственным переменным

[17], реализуемая в виде симметричной последовательности одномерных операторов

-

Р х , Р у , явного конечно-разностного метода Мак-Кормака, выполняющих шаги предиктор и корректор, по соответствующим координатным осям, позволяющая построить решение на следующем временном слое (13):

/Г = Р x (т) Р у (^) Ру №) Р у (v) &

Временные шаги Л t x = A t y =Л t.

Для получения монотонного численного решения к сеточной функции на каждом временном шаге применялась схема нелинейной коррекции [18, 19]. Алгоритм коррекции выполнялся последовательно вдоль всех узлов. Рассмотрим алгоритм коррекции решения на примере функции f. В случае если выполняются условия ( Sfj-12 •Sfj+112 )< 0 или (j Sfj+32 )< 0 то к функции f в j-ом узле применяется алгоритм схемы коррекции: fj = fj + k(Sfj+12 - Sfj-12) . Нижний индекс обозначает номер узла сетки.

Здесь использованы обозначения: 8f._ i = f j - f j-^ Sf. 1 = f j+1 - f j ,Sf. з = j 2 j+ 2 ^ + 2

f j+2 - f j+± . В противном случае: f j = fj , f j - значение функции в j -ом узле после перехода на ( n+ 1)-й временной слой по схеме Мак-Кормака, κ – коэффициент коррекции.

Двухмерное уравнение Пуассона, описывающее электрическое поле (7), преобразуется к нестационарному виду (14) и интегрировалось методом установления [20] (15):

d(p     d(p            __ dcp

dx2 ду2    Р1^0 Qt ,

At(

ф \+1Г2<РП1]+<РП1-1]

Дх2

+

y\+i -2< Pnij+

nij-i

Ду2

+ 4 oP\ij ) + ^n ij = ^n+1 ij .     (15)

Постановка задачи

В данной работе численно исследовались колебания монодисперсной газовзвеси в двумерном прямоугольном акустическом резонаторе – закрытом канале с граничными условиями "прилипания", на стенках и движущемся поршнем на одной из поперечных стенок (рис. 1). В численных расчетах длина канала составляла L = 1 м, ширина канала H = 0.1 м. Предполагалось, что в начальный момент времени дисперсная компонента смеси равномерно распределена в физической области, к продольным стенкам которой приложен электрический потенциал.

При моделировании динамических процессов в электрически заряженной газовзвеси задавались следующие граничные условия – на неподвижных поверхностях однородные условия Дирихле для составляющих скорости на неподвижных поверхностях, для остальных динамических функций везде задавались однородные граничные условия Неймана:

u (t, 1 ,j ) = Aw sin (wt), щ (t, 1 ,j ) = u (t,1, j ), v (t,1 ,j ) = 0, v u (t,Nx,j ) = 0, v (t,Nx,j ) = 0, u (t,i, 1) = 0, v (t,i,1) = 0, u (t,i,Ny ) = 0, v (t,i,Ny ) = 0, p( t,1 ,j ) = p( t,2 ,j ),

( t, 1 ,j ) = v ( t, 1 ,j ) ,

U (t,Nx,j) = 0, vi (t,Nx,j) = 0, щ (t,i, 1) = 0, v1 (t,i, 1) = 0, u1 (t,i,Ny ) = 0, vi (t,i,Ny ) = 0,

P i ( t,1 ,j ) = P i ( t, 2 ,j ) ,

P ( t,N x ,J ) = P ( t,N x -

1 ,j ) , P 1 ( t,N x ,j ) = P 1 ( t,N x - 1 ,j ) ,

p ( t,i, 1 ) = p ( t,i, 2 ) , p 1 ( t,i, 1 ) = P 1 ( t,i, 2 ) ,

P (t,i,Ny) = P (t,i,Ny -1), P1 (t, i, Ny) = P1 (t, i,Ny -1), e (t,1 ,j) = e (t, 2 ,j) ,e1 (t,1 ,j) = e1 (t, 2 ,j),

e(t,Nx,j) = e(t,Nx -1 ,j),e1 (t,Nx,j) = e1 (t,Nx -1 ,J), e (t,i, 1) = e (t,i, 2 ) ,ex (t,i, 1) = e (t,i, 2 ), e (t, i, Ny) = e (t, i,Ny -1), e (t, i, Ny) = e (t, i,Ny -1).

Для потенциала электрического поля задавались значения на границах расчетной области:

H ( 1 ,j ) = H ( N x ,j ) = H , H i, 1 ) = ф ( i,Ny ) = H ■

В статье [12] проведено сопоставление численных расчетов динамики электрически нейтрального аэрозоля с результатами физического эксперимента. В статье [14] исследована сеточная сходимость численной модели динамики электрически заряженной газовзвеси (1)-(7).

Рис. 1 . Общая схема моделируемого процесса

Скорость звука с вычисляется из уравнения: c =

где М =29·10-3 кг/моль – мо-

лярная масса воздуха, теплопроводность несущей среды предполагалась равной λ = 0.02553 Вт/(м^К), динамическая вязкость несущей среды ^ = 1.72 10-5 Па^с, у = 1.4, R = 8.31 Дж/(моль · K). Газовзвесь в начальный момент времени представляет собой смесь воздуха с равномерно распределенными в объеме резонатора частицами твердой фазы – сферами одинакового диаметра с фиксированной плотностью вещества ρ 10 = 2200 кг/м3. В момент времени t = 0 поршень начинал движение по гармоническому закону x ( t )= A ·sin( ω t ), где ω = 2 πν , ν = c /2 L , частота первого линейного резонанса колебаний газового столба в закрытой трубе [1]. A = 1 мм – амплитуда хождения поршня. Величина потенциала, приложенного к стенкам канала φ 0 = 10 кВ.

Результаты расчетов

На рисунке 2 представлены пространственные распределения пространственных компонент удельной силы Кулона в продольном и поперечном сечениях акустического резонатора. Максимальные значения силы Кулона достигаются вблизи стенок акустического резонатора.

Пространственные распределения модуля скорости газовой компоненты газовзвеси при колебаниях электрически нейтральной дисперсной компоненты отличаются от аналогичной величины при колебаниях газовзвеси с электрически заряженной дисперсной компонентой (рис. 3). Вследствие воздействия силы Кулона на движение электрически заряженных дисперсных частиц средняя плотность дисперсной компоненты электрически заряженной газовзвеси отличается от распределения средней плотности электрически нейтральной газовзвеси. Для электрически заряженной газовзвеси средняя плотность уменьшается от стенок к оси симметрии канала (см. рис. 4).

а

б

Рис. 2 . Пространственное распределение силы Кулона в продольном направлении у=h/2 (а) и поперечном направлениях x=L/2 (б)

б

а

Рис. 3. Пространственные распределения модуля скорости в электрически нейтральной (а) и электрически заряженной газовзвеси (б)

a

б

Рис. 4. Пространственные распределения средней плотности дисперсной компоненты в электрически нейтральной (а) и электрически заряженной газовзвеси (б)

На рисунке 5, а представлено пространственное распределение средней плотности дисперсной фазы в электрически заряженной и нейтральной газовзвеси в близи точки x = L/2, y = 0. В электрически заряженной газовзвеси при осаждении дисперсных частиц происходит первоначальное увеличение средней плотности дисперсных частиц вблизи стенки, за счет движения дисперсных частиц из внутренней области, после чего средняя плотность монотонно уменьшается. Из рисунка 4, б следует, что для различных дисперсностей наблюдаются отличающиеся закономерности изменения распределения средней плотности, наиболее интенсивно рост средней плотности наблюдается у дисперсных частиц с размером d = 20 мкм, максимальное значение средней плотности для частиц с такой дисперсностью составляет ρ1 = 4.51 кг/м3 для частиц размером d = 2 мкм и d = 200 мкм максимальные значения средней плотности составляют ρ1 = 2.57 кг/м3 и ρ1 = 4.4 кг/м3

соответственно.

а

б

Рис. 5. Временная зависимость величины средней плотности в электрически нейтральной и электрически заряженной газовзвеси (а) и временная зависимость средней плотности для различных размеров дисперсных включений электрически заряженной газовзвеси (б)

За счет межфазного взаимодействия величина продольной скорости несущей среды газовзвеси существенно меньше, чем в однородном газе и для параметров дисперсной компоненты α = 0.001, d = 2 мкм, размах колебаний продольной составляющей скорости составляет 18% от аналогичной величины в однородном газе (рис. 6).

Рис. 6. Временная зависимость колебаний продольной составляющей скорости в электрический нейтральной газовзвеси и в однородном вязком газе, динамика которого описывается системой уравнений Навье–Стокса

Рассмотрим влияние объемного содержания дисперсной компоненты на интенсивность колебаний несущей среды и дисперсной фазы в электрически заряженной и нейтральной газовзвесях, для мелкодисперсных частиц d = 2 мкм. Здесь кривые 1, 2 – это значения продольной составляющей скорости для несущей среды и дисперсной компоненты без учета электрического поля; 3, 4 – продольная составляющая скорости несущей среды и дисперсной компоненты с учетом электрического поля и 5 – соответствующая величина колебаний однородного газа. Амплитуды изменения продольной составляющей скорости газовой и дисперсной компонент при таких размерах дисперсных частиц согласуются (рис. 7).

в

Рис. 7. Временные зависимости изменения продольной составляющей скорости несущей среды и дисперсной компоненты α = 0.001 (а), α = 0.0001 (б), α = 0.00001(в)

Для объемного содержания α = 0.001 при учете и без учета осаждения дисперсной компоненты в электрическом поле размах изменения продольной составляющей скорости несущей и дисперсной фазы составляет U = 1.16 м/с и U = 4.62 м/с соответственно. При уменьшении объемного содержания частиц до величины α = 0.0001, в электрически нейтральной и электрически заряженной газовзвесях величины размаха продольной скорости несущей и дисперсной фазы составляет U = 3.65 м/с и U = 4.82 м/с соответственно. При объемном содержании α = 0.00001 наличие процесса осаждения дисперсной компоненты в электрическом поле не оказывает существенного влияния на интенсивность колебаний компонент смеси – размах колебаний продольной составляющей скорости обоих компонент смеси составляет U = 5.85 м/с, тогда как в однородном газе эта величина имеет значение U = 6.29 м/с (рис. 7, в).

На рисунке 8 линии 1, 2 – значения продольной составляющей скорости для несущей среды и дисперсной компоненты без учета электрического поля; 3, 4 – продольная составляющая скорости несущей среды и дисперсной компоненты с учетом электрического поля.

а

б

0.05 u , м/с

^^^^^^^^н нейтральная электрически заряженная

0.00

0.35

t , c

0.36      0.37      0.38      0.39      0.40

-0.05

в

Рис. 8. Временные зависимости изменения продольной составляющей скорости несущей среды и дисперсной компоненты d =20 мкм (а), d = 200 мкм (б), колебания скорости дисперсной компоненты d=200 мкм (в)

Для различных размеров дисперсных включений интенсивность колебаний несущей среды и дисперсной фазы в электрически заряженной и нейтральной газовзвесях при объемном содержании дисперсной компоненты α = 0.001 существенно отличается (рис. 7). Для частиц с диаметром d = 20 мкм размах изменения продольной составляющей скорости несущей среды в электрически заряженной и электрически нейтральной газо-взвеси U = 5.92 м/с и U = 3.07 м/с для дисперсной компоненты U 1 = 1.59 м/с и U 1 = 0.69 м/с (рис. 7, а). Для размера частиц d = 200 мкм интенсивность колебаний газовой компоненты в электрически заряженной и электрически нейтральной газовзвеси составляет U = 6.26 м/с и U = 5.93 м/с (рис. 7, б). Крупнодисперсные частиц с d = 200 мкм за счет инерционности имеют меньшею амплитуду колебаний в электрически заряженной и электрически нейтральной газовзвеси, размах изменения продольной скорости частиц составляет U 1 = 0.074 м/с и U 1 = 0.069 м/с соответственно (рис. 7, в).

Заключение

В работе представлены результаты численных расчетов колебаний газовзвесей в акустическом резонаторе при учете влияния электрического заряда дисперсной компоненты и внешних электрических потенциалов, приложенных к стенкам акустического резонатора. Динамика несущей среды описывалась системой уравнений Навье–Стокса. Расчеты осуществлялись на основе континуальной методики моделирования течений неоднородных сред, позволяющей учесть взаимообратные эффекты динамики газодисперсных потоков. Исследовано влияние объемного содержания и дисперсности частиц на интенсивность колебаний газовзвеси. Для электрически нейтральных газовзвесей выявлено, что при больших объемных содержаниях – за счет большей массовой доли дисперсной компоненты интенсивность колебаний компонент имеет меньшее значение. При фиксированном объемном содержании дисперсных частиц уменьшение размера дисперсных включений приводит к увеличению площади межфазного взаимодействия, тем самым увеличивается интенсивность межфазного взаимодействия, что приводит к уменьшению амплитуды колебаний газодисперсной смеси. При этом скорость мелкодисперсных частиц согласуется со скоростью несущей среды. Для малых объемных содержаний дисперсной компоненты наличие процесса осаждения дисперсных частиц в электрическом поле не оказывает существенного влияния на интенсивность колебаний компонент смеси. Для больших объемных содержаний дисперсной компоненты осаждение дисперсных частиц в электрическом поле оказывает значительное воздействие на интенсивность колебаний несущей среды и дисперсной компоненты в сравнении с электрически нейтральной газовзвесью. В зависимости от размера дисперсных включений влияние осаждения в электрическом поле дисперсных частиц на динамику компонент смеси отличается. Для крупнодисперсных частиц воздействие осаждения в электрическом поле дисперсной компоненты на динамику несущей среды имеет меньшее значение, чем для случая, когда дисперсная фаза газовзвеси состоит из мелкодисперсных частиц. Результаты расчетов могут быть использованы при расчетах аппаратов очистки газодисперсных сред, использующих акустические и электрические поля.