Численное моделирование колебательных процессов в модельном канале с двумя перегородками, заполненном водородом
Автор: Серегина М.А., Модорский В.Я., Черепанов И.Е., Бабушкина А.В.
Статья в выпуске: 6, 2024 года.
Бесплатный доступ
Рассматривается распространение звуковой волны в канале прямоугольного сечения с двумя перегородками из стеклопластика. Получены временные зависимости давления и перемещений для точек, расположенных в разных частях модельного канала. В качестве рабочего тела среды рассматриваются водород и воздух. Разработан алгоритм решения краевой задачи численного моделирования колебательных процессов в модельном канале прямоугольного сечения, с учетом двунаправленного взаимодействия (2-way Fluid-Structure Interaction или при сокращении 2FSI) между деформируемыми перегородками и потоком рабочей среды, с применением системы инженерного анализа ANSYS. Разработана математическая модель, соответствующая краевой задаче. Заданы начальные и граничные условия и выбраны контрольные точки по длине модельного канала и на стеклопластиковых перегородках. Представлены основные результаты исследования в виде зависимостей амплитуды перемещения перегородки и давления в рабочей среде (воздух или водород) от времени в характерных точках канала. Обнаружено, что переходные процессы на воздухе и водороде отличаются амплитудой и частотой колебания; обнаружена зависимость влияния числа перегородок на колебания в газовой среде. Рассмотренная система может стать моделью для проработки условий возникновения автоколебаний для разных рабочих сред. Прогнозирование поведения конструкции трубопровода, в модельном представлении, при воздействиях разных газов в процессе транспортировки позволит оценить влияние транспортируемой среды на акустические характеристики системы. Исследование данного вопроса крайне важно для поиска областей снижения шума при транспортировке любых газовых смесей по трубопроводам.
Акустика, транспортировка водорода, 2fsi, газоход, распространение волны, численное моделирование, взаимодействие газа с преградой, звукопоглощение, резонанс
Короткий адрес: https://sciup.org/146283066
IDR: 146283066 | УДК: 534.2 | DOI: 10.15593/perm.mech/2024.6.05
Numerical simulation of oscillatory processes in a model channel with two partitions filled with hydrogen
This article discusses the propagation of a sound wave in a channel with a rectangular cross-section with two fiberglass partitions. The time dependences of pressure and displacements for points located in different parts of the model channel are obtained. Hydrogen and air are considered as the working media. An algorithm has been developed for solving the boundary value problem of the numerical simulation of oscillatory processes in the model’s channel with a rectangular cross-section, taking into account the bidirectional interaction (2-way Fluid-Structure Interaction or 2FSI reduction) between deformable partitions and the flow of the working environment, using the ANSYS engineering analysis system. A mathematical model corresponding to the boundary value problem has been developed. Initial and boundary conditions are set and control points along the length of the model channel and on fiberglass partitions are selected. The main results of the study are presented in the form of dependences of the amplitude of displacement of the partition and pressure in the working media (air or hydrogen) on time at characteristic points of the channel. It was found that transients in air and hydrogen differ in amplitude and frequency of oscillation; the dependence of the influence of the number of partitions on fluctuations in the gaseous medium was found. The considered system can become a model for working out the conditions for the occurrence of self-oscillations for different working environments. Predicting the behavior of the pipeline structure, in a model representation, under the influence of different gases during transportation will allow us to assess the influence of the transported medium on the acoustic characteristics of the system. The study is highly important for finding areas of noise reduction during the transportation of any gas mixtures through pipelines.
Список литературы Численное моделирование колебательных процессов в модельном канале с двумя перегородками, заполненном водородом
- Якубсон, К.И. Перспективы производства и использования водорода как одно из направлений развития низкоуглеродной экономики в Российской Федерации (обзор) / К.И. Якубсон // Журнал прикладной химии. – 2020. – Т. 93, № 12. – С. 1675–1695.
- Analysis of technologies for hydrogen consumption, transition and storage at operating thermal power plants / D. Kolbantseva [et al.] // Energies. – 2022. – Vol. 15, no. 10. – 3671 р.
- Simulation of the operation of a gas turbine installation of a thermal power plant with a hydrogen fuel production system / G.E. Marin [et al.] // International Journal of Hydrogen Energy. – 2023. – Vol. 48, no. 12. – P. 4543–4550.
- Bayramov, A.N. Comprehensive assessment of system efficiency and competitiveness of nuclear power plants in combination with hydrogen complex / A.N. Bayramov // International Journal of Hydrogen Energy. – 2023. – Vol. 48, iss. 70. – P. 27068–27078.
- Развитие «зеленой» водородной энергетики в европейской части Российской Федерации / Э.Р. Зверева [и др.] // Экономика промышленности / Russian Journal of Industrial Economics. – 2022. – Т. 15, № 2. – С. 167–176.
- Анализ оптимальных способов транспортировки водорода / Е.Э. Иванова [и др.] // Наука и технологии: Перспективы развития и применения. – 2023. – С. 28–45.
- Голуб, В.В. Экспериментальное исследование диффузионного самовоспламенения водорода в канале / В.В. Голуб, К.В. Иванов // Химическая физика. – 2009. – Т. 28, № 5. – С. 19–26.
- Володин, В.В. Влияние акустических колебаний на скорость ячеистого водородно-воздушного пламени в горизонтальном канале / В.В. Володин, В.В. Голуб, А.Е. Ельянов // Письма в ЖТФ. – 2022. – Т. 48, № 9. – С. 41.
- Карасевич, В. Перспективы использования природного газа для производства и экспорта российского водорода / В. Карасевич, Б. Валерий, Р. Мингалеева // Энергетическая политика. – 2023. – № 6 (184). – С. 90–99.
- Карасевич, В.А. Текущее состояние и потенциал использования природного газа для производства и экспорта водородосодержащей продукции / В.А. Карасевич, С.Ю. Руденко, А.В. Кортиков // Вопросы экономики и управления нефтегазовым комплексом. – 2022. – С. 160–165.
- Исмагилова, В.С. Транспортировка трубопроводного и сжиженного природного газа: сравнительный анализ достоинств и недостатков / В.С. Исмагилова, Т.В. Чекушина // Науки о Земле и недропользование. – 2023. – Т. 46, № 1 (82). – С. 61–71.
- Darsaliya, N.M. Transportation of hydrogen by main gas pipelines as a methane-hydrogen mixture / N.M. Darsaliya, R.R. Farukhshina, Z.E. Saddik // Liquid and Gaseous Energy Resources. – 2023. – Vol. 3, iss. 1. – 6 p.
- Расчетно-экспериментальные исследования резонансных многослойных звукопоглощающих конструкций / А.Н. Аношкин [и др.] // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2015. – № 1. – С. 5–20.
- Bielak, G.W. Advanced turbofan duct liner concepts / G.W. Bielak, J.W. Premo, A.S. Hersh. – 1999. – № NASA/CR-1999-209002.
- Акустические резонансные характеристики двух и трехслойных сотовых звукопоглощающих панелей / А.Г. Захаров [и др.] // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. – 2016. – № 3 (46). – С. 144–159.
- Khaletskiy, Y. Acoustic response of a fan duct liner including porous material [Электронный документ] / Y. Khaletskiy, Y. Pochkin, A. Igolkin // 20th International Congress on Sound and Vibration 2013, ICSV 2013. – 2013. – P. 341–348.
- Karstadt, S. Sound deadening on fans / S. Karstadt, B. Matyschok, P.F. Pelz // Turbo Expo: Power for Land, Sea, and Air. – 2011. – Vol. 54679. – P. 961–971.
- Peng, F. Sound absorption of a porous material with a perforated facing at high sound pressure levels / F. Peng // Journal of Sound and Vibration. – 2018. – Vol. 425. – P. 1–20.
- Jones, M. Benchmark data for evaluation of aeroacoustic propagation codes with grazing flow / M. Jones, W. Watson, T. Parrott // 11th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference. – 2005. – P. 2853.
- Ch. V., Surya Narayana Reddi. Simplified impedance models for Helmholtz resonator with intrusions / Ch. V., Surya Narayana Reddi, Chandramouli Padmanabhan // ICSV20. – Bangkok, Thailand, July 2013. – P. 158–161.
- Farshidianfar, M.H. Mode count and modaldensity of acoustical cavities: bars, plates and cylindrical shells / M.H. Farshidianfar, A. Farshidianfar // ICSV20. – 2013. – P. 172–175.
- Hynninen, A. Determination of in-duct sound power beyond the plane wave range using wall-mounted microphones / A. Hynninen, M. Åbom // Applied Acoustics. – 2015. – Vol. 99. – P. 24–30.
- Localization of broadband acoustical sources in the cylindrical duct via measurements outside the duct end / K. Gao [et al.] // Journal of Sound and Vibration. – 2023. – P. 117749.
- Modal deconvolution of baffled duct internal acoustics from external measurements and experimental evaluation / B. Etchebarne [et al.] // ICSV29-29th International Congress on Sound and Vibration. – 2023.
- Laly, Z. An experimental transfer matrix method to characterize acoustic materials at high sound pressure levels in airflow environment / Z. Laly, X. Feng, N. Atalla // Applied Acoustics. – 2023. – Vol. 206. – P. 109311.
- Шульдешов, Е.М. Материалы для звукопоглощающих конструкций авиационных двигателей (обзор) / Е.М. Шульдешов, И.Д. Краев, Е.П. Образцова // Труды ВИ- АМ. – 2021. – № 7 (101). – С. 59–72.
- Численное моделирование задачи устойчивости перфорированных оболочек / А.А. Антипов [и др.] // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2015. – №1. – С. 21–30.
- Филиппенко, Г.В. Модальный анализ трубы, поврежденной водородом, как неоднородной по толщине оболочки / Г.В. Филиппенко, Т.В. Зиновьева // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2022. – № 3. – С. 170–182.
- Исследование когерентности акустических полей высокочастотных шумовых источников в случайно-неоднородном океане / А.И. Хилько [и др.] // Акустический журнал. – 2018. – Т. 64, № 2. – С. 217–227.
- Численное моделирование ступени центробежного компрессора газоперекачивающего агрегата в 2FSI-постановке / В.Я. Модорский [и др.] // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника, 2019. – № 56. – С. 83–91.
- Численное моделирование газодинамических и прочностных характеристик вентилятора для экспериментальной установки по исследованию разрушения льда на вращающихся рабочих лопатках / С.Л. Калюлин [и др.] // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2023. – № 1. – С. 134–141.
- Численное моделирование процессов взаимовлияния волны возмущения в водороде и перегородки в модельном канале / В.Я. Модорский [и др.] // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2023. – № 6. – С. 68–77.
- Численное моделирование процессов взаимовлияния волны газа и деформированной преграды в модельном канале авиационного двигателя / М.А. Серегина, А.В. Бабушкина, В.Я. Модорский, Д.С. Максимов // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета.\Аэрокосмическая техника. – 2022. – № 69. – С. 92–99.
