Моделирование концентрационной конвекции при различных давлениях и составах трехкомпонентной газовой смеси

  • A. S. Zhumali Казахский национальный университет имени аль-Фараби, г. Алматы, Казахстан http://orcid.org/0000-0003-3632-5483
  • V. N. Kossov Казахский национальный педагогический университет имени Абая, г. Алматы, Казахстан http://orcid.org/0000-0002-8001-1644
  • B. A. Satenova Казахский национальный университет имени аль-Фараби, г. Алматы, Казахстан http://orcid.org/0000-0003-2130-4794
  • A. S. Assylbekuly Казахский национальный университет имени аль-Фараби, г. Алматы, Казахстан http://orcid.org/0000-0003-1995-8967
Ключевые слова: диффузия, концентрационная конвекция, давление, неустойчивость, решеточный метод Больцмана

Аннотация

В данной статье рассматривается математическое и компьютерное моделирование влияния давления и состава трехкомпонентной газовой смеси на концентрационную конвекцию на основе решения системы уравнений Навье-Стокса, уравнения неразрывности и уравнений для концентрации компонентов трехкомпонентной газовой смеси. Исследуется процесс, когда тяжелый газ и легкий газ находятся в верхней части ограниченной полости формы параллелепипеда, а средний газ находится в нижней части. Численные расчеты были проведены для систем 0.55Ar+0.45He-N2, 0.66Ar+0.34He-N2, 0.55CO2+0.45He-N2 на равномерной прямоугольной сетке. В виде рисунков была представлена динамика изменения концентраций аргона и диоксида углерода для этих систем при различных значениях давления. Результаты численного исследования получены с помощью 3D численного алгоритма, осуществленного на базе D3Q27 модели метода решеточных уравнений Больцмана (LBM) в аппроксимации Батнагара-Гросса-Крука (BGK). Проведенные расчеты показывают, что в трехкомпонентных газовых смесях при определенных давлениях и составах возможен сложный массоперенос, связанный с возникновением конвективных возмущений. Для проверки численного алгоритма, результаты, полученные в данной статье, были сравнены с результатами, полученными экспериментальным путем, и показали хорошее согласование.

Литература

[1] Miller L., Spurling Т.Н., Mason E.A., "Instabilities in ternary diffusion", Phys. Fluids, 10:8(1967), 1809-1811.
[2] Zhavrin Y.I., Kossov N.D., Belov S.M., Semidotskaya N.I., "O primenenii metoda effektivnykh koeffitsiyentov k opisaniyu diffuzii v mnogokomponentnykh gazovykh smesyakh pri povyshennykh davleniyakh [On the application of the effective coefficient method to the description of diffusion in multicomponent gas mixtures at elevated pressures]", Teplomassoperenos v zhidkostyakh i gazakh: sb. nauch. tr. (1982), 3-12 [in Russian].
[3] Belov S.M., Zhavrin YU.I., Kosov N.D., Diffuzionnaya neustoychivost’ gazovoy smesi geliy-argon-azot pri razlichnykh davleniyakh i kontsentratsiyakh [Diffusion instability of a helium-argon-nitrogen gas mixture at various pressures and concentrations](Dep. in KazNIINTI 10/14/85. - №1073. Alma-Ata: KazGU, 1985), 13 [in Russian].
[4] Zhavrin YU.I., Kosov V.N., "Vliyaniye dliny kanala na ustoychivost’ diffuzionnogo protsessa v mnogokomponentnykh gazovykh smesyakh. [Influence of the channel length on the stability of the diffusion process in multicomponent gas mixtures]", Vest. AN KazSSR 10 (1991), 63-65 [in Russian].
[5] Kosov V.N., Kul’zhanov D.U., Zhavrin YU.I., Krasikov S.A., Fedorenko O.V., Osobennosti razdeleniya uglevodorodnykh gazovykh smesey pri konvektivnoy diffuzii [Features of the separation of hydrocarbon gas mixtures during convective diffusion] (Almaty: MV-Print, 2014), 144 [in Russian].
[6] Asembaeva M.K., Kosov V.N., Krasikov S.A., Fedorenko O.V., "Effect of the Channel Inclination Angle on Convective Mixing Caused by Instability of Mechanical Equilibrium of Ternary Gas Mixture at Isothermal Diffusion", Technical Physics Letters 45:11 (2019), 1071–1074.
[7] Kassem Ghorayeb, Abdelkader Mojtabi, "Double diffusive convection in a vertical rectangular cavity", Phys. Fluids 9:8(1997), 2339 - 2348.
[8] Qinlong Ren, Cho Lik Chan, "Numerical study of double-diffusive convection in a vertical cavity with Soret and Dufour effects by lattice Boltzmann method on GPU", International Journal of Heat and Mass Transfer 93(2016), 538–553.
[9] Pascale Garaud, "Double-Diffusive Convection at Low Prandtl Number", Annu. Rev. Fluid Mech. 50(2018), 275-298.
[10] Hongtao Xu, Zhuqing Luo, Qin Lou, Shuanyang Zhang, Jun Wang, "Lattice Boltzmann simulations of the double-diffusive natural convection and oscillation characteristics in an enclosure with Soret and Dufour effects", International Journal of Thermal Sciences. 136(2019), 159-171.
[11] Kosov V.N., Zhakebayev D.B., Fedorenko O.V., "Chislennyy analiz konvektivnykh dvizheniy, voznikayushchikh pri izotermicheskoy diffuzii v vertikal’nykh kanalakh v trekhkomponentnykh gazovykh smesyakh. [Numerical analysis of convective motions arising from isothermal diffusion in vertical channels in three-component gas mixtures]", News of the National Academy of Sciences of the Republic of Kazakhstan - physico-mathematical series 5(2017), 134-142 [in Russian].
[12] Kosov V.N., Fedorenko O.V., Zhakebayev D.B., Kizbayev A.P., "Osobennosti vozniknoveniya strukturirovannykh formirovaniy na granitse smeny rezhimov «diffuziya – kontsentratsionnaya konvektsiya» pri izotermicheskom smeshenii binarnoy smesi v ravnoy stepeni razbavlennoy tret’im komponentom [Features of the emergence of structured formations at the boundary of the change of the "diffusion - concentration convection" modes during isothermal mixing of a binary mixture equally diluted with the third component]", Teplofizika i aeromekhanika (2019), 31-40 [in Russian].
[13] T. Kru¨ger, H. Kusumaatmaja, A. Kuzmin, O. Shardt, G. Silva, E.M. Viggen, The Lattice Boltzmann Method (Switzerland: Springer International Publishing, 2017), 293.
[14] Bird B.R., Stewart W.E., Lightfoot E.V., Transport phenomenon (New York: John Wiley and Sons, Inc., 2002), 914.
[15] Guo Z., Zheng C., Shi B., "Discrete lattice effects on the forcing term in the lattice Boltzmann method", Phys. Rev. E. 65(2002), 1-6.
[16] Seta T., "Implicit temperature-correction-based immersed-boundary thermal lattice Boltzmann method for the simulation of natural convection", Phys. Rev. E. 87(2013).
Опубликован
2020-12-31