Метод расчёта ультразвуковой коагуляции частиц размером менее 2.5 мкм в трёхмерных вихревых и турбулентных акустических течениях

Метод расчёта ультразвуковой коагуляции частиц размером менее 2.5 мкм в трёхмерных вихревых и турбулентных акустических течениях

Хмелёв В. Н., Шалунов А. В., Голых Р. Н.
Сибирский журнал индустриальной математики, 27, 1(97), 72–86 (2024)
Скачать статью

УДК 534.8 
DOI: 10.33048/SIBJIM.2024.27.106

Аннотация:

Предложен метод расчёта кинетики ультразвуковой коагуляции PM2.5 при тонкой газоочистке, который обеспечивает на порядок более высокую производительность расчётов. Повышение производительности обеспечивается за счёт предложенного и обоснованного способа сведения исходной трёхмерной задачи к двухмерной. Предложенный способ сведения основан на том, что время полного оборота вихревых акустических течений оказывается много меньшим характерного времени коагуляции при тонкой очистке газов. Это позволило представить фракционный состав аэрозольных частиц в качестве зависимости от двух функций тока вместо трёх координат. Проведённые расчёты с помощью предложенного метода позволили выявить возможность повышения эффективности коагуляции в трёхмерных течениях за счёт следующих механизмов: локального повышения концентрации, вызванного инерционным переносом частиц к периферии трёхмерных вихрей в газовой фазе; повышения частоты столкновений частиц за счёт трёхмерных турбулентных возмущений в ультразвуковых полях с высокой амплитудой колебательной скорости (более 10 м/с); повышения производительности и обеспечения возможности непрерывной реализации процесса в проточном режиме за счёт переноса частиц между линиями тока основных вихрей, инициированных ультразвуковыми колебаниями, а также за счёт внешних течений, перпендикулярных плоскости вихрей в трёхмерном пространстве. Разработанный комплекс программ для реализации расчётов может быть использован при проектировании газоочистного оборудования.

Литература:
  1. Ma Y., Zang E., Liu Y., Lu Y., Krumholz H., Bell M., Chen K. Wildfire smoke PM2.5 and mortality in the contiguous United States // medRxiv. 2023; DOI: 10.1101/2023.01.31.23285059
     
  2. Ihsan I., Oktivia R., Anjani R., Xahroh N. Health risk assessment of PM2.5 and PM10 in KST BJ Habibie, South Tangerang, Indonesia // IOP Conf. Ser. Materials Sci. Engrg. 2023. V. 1201. Article 012033; DOI: 10.1088/1755-1315/1201/1/012033
     
  3. Park D., Kim T., Kang K. Black Carbon and PM2.5 impact analysis in an urban school // E3S Web Conf. 2023. V. 396. Article 01056; DOI: 10.1051/e3sconf/202339601056
     
  4. Torkmahalleh M. A., Turganova K., Zhigulina Z., Madiyarova T., Adotey E. K., Malekipirbazari M., Buonanno G., Stabile L. Formation of cluster mode particles (1–3 nm) in preschools // Sci. Total Environ. 2022. V. 818. Article 151756; DOI: 10.1016/j.scitotenv.2021.151756
     
  5. Riera E., Gonzalez-Gomez I., Rodriguez G., Gallego-Juarez J. Ultrasonic agglomeration and preconditioning of aerosol particles for environmental and other applications // Power Ultrasonics (Second Edition). 2023. P. 861–886; DOI: 10.1016/B978-0-12-820254-8.00029-4
     
  6. Moldavsky L., Gutfinger C., Oron A., Fichman M. Effect of sonic waves on gas filtration by granular beds // J. Aerosol Sci. 2013. V. 57. P. 125–130; DOI: 10.1016/j.jaerosci.2012.10.002
     
  7. Sheng C., Shen X. Simulation of Acoustic Agglomeration Processes of Poly-Disperse Solid Particles // Aerosol Sci. Technol. 2007. V. 41. P. 1–13; DOI: 10.1080/02786820601009704
     
  8. Song L. Modelling of Acoustic Agglomeration of Fine Aerosol Particles: Ph.D Thesis. University Park: Pennsylvania State University, 1990.
     
  9. Khmelev V. N., Golykh R. N., Shalunov A. V., Nesterov V. A. Numerical model of ultrasonic coagulation of dispersed particles in Eckart flows // Interfacial Phenom. Heat Transf. 2022. V. 11, N 2. P. 1–23; DOI: 10.1615/InterfacPhenomHeatTransfer.2022045659
     
  10. Shi Y., Bai W., Zhao Z., Ayantobo O., Wang G. Theoretical analysis of acoustic and turbulent agglomeration of droplet aerosols // Adv. Powder Technol. 2023. V. 34, N 10. Article 104145; DOI: 10.1016/j.apt.2023.104145
     
  11. Matsson J. E. An Introduction to Ansys Fluent. Misson: SDC Publications, 2023.
     
  12. Huang G., Leung R., Yang Z. Implementation of Direct Acoustic Simulation using ANSYS Fluent // INTER-NOISE NOISE-CON Congr. Conf. Proc. 2021. P. 1243–1252; DOI: 10.3397/IN-2021-1787
     
  13. Руденко О. В., Солуян С. И. Теоретические основы нелинейной акустики. М.: Наука, 1975.
     
  14. Giese J. H. Stream Functions for Three-Dimensional Flows // J. Math. Phys. 1951. V. 30, N 1–4. P. 31–35; DOI: 10.1002/sapm195130131
     
  15. Buffoni B., Wahlen E. Steady three-dimensional rotational flows: An approach via two stream functions and Nash—Moser iteration // Anal. PDE. 2019. V. 12, N 5. P. 1225–1258; DOI: 10.2140/apde.2019.12.1225

Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 19-19-00121; https://rscf.ru/project/19-19-00121/). Других источников финансирования проведения или руководства данным конкретным исследованием не было.

В. Н. Хмелёв
  1. Бийский технологический институт (филиал) АлтГТУ им. И. И. Ползунова, 
    ул. им. Героя Советского Союза Трофимова, 27, г. Бийск 659305, Россия

E-mail: avnh@bti.secna.ru

А. В. Шалунов
  1. Бийский технологический институт (филиал) АлтГТУ им. И. И. Ползунова, 
    ул. им. Героя Советского Союза Трофимова, 27, г. Бийск 659305, Россия

E-mail: shalunov@bti.secna.ru

Р. Н. Голых
  1. Бийский технологический институт (филиал) АлтГТУ им. И. И. Ползунова, 
    ул. им. Героя Советского Союза Трофимова, 27, г. Бийск 659305, Россия

E-mail: romangl90@gmail.com

Статья поступила 03.09.2023 г.
После доработки — 21.11.2023 г.
Принята к публикации 07.02.2024 г.

Abstract:

We propose a method for calculating the kinetics of ultrasonic coagulation of PM2.5 during fine gas cleaning that provides an order of magnitude higher calculation performance. Increased productivity is achieved through the proposed and justified method of reducing the original three-dimensional problem to a two-dimensional one. The proposed reduction method is based on the fact that the time of complete rotation of vortex acoustic flows turns out to be much shorter than the characteristic coagulation time during fine gas cleaning. This makes it possible to present the fractional composition of aerosol particles as a function of two stream functions instead of three coordinates. Calculations carried out using the proposed method make it possible to identify the possibility of increasing the efficiency of coagulation in threedimensional flows due to the following mechanisms: a local increase in concentration caused by the inertial transfer of particles to the periphery of three-dimensional vortices in the gas phase, increasing the frequency of particle collisions due to three-dimensional turbulent disturbances in ultrasonic fields with a high amplitude of oscillatory velocity (more than 10 m/s), and increasing productivity and ensuring the possibility of continuous implementation of the process in flow mode due to the transfer of particles between the streamlines of the main vortices initiated by ultrasonic vibrations as well as due to external flows perpendicular to the plane of the vortices in three-dimensional space. The developed set of programs for implementing calculations can be used in the design of gas cleaning equipment.

References:
  1. Y. Ma, E. Zang, Y. Liu, Y. Lu, H. Krumholz, M. Bell, and K. Chen, “Wildfire smoke PM2.5 and mortality in the contiguous United States,” medRxiv, 2023. https://doi.org/10.1101/2023.01.31.23285059 
     
  2. I. Ihsan, R. Oktivia, R. Anjani, and N. Xahroh, “Health risk assessment of PM2.5 and PM10 in KST BJ Habibie, South Tangerang, Indonesia,” IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng. 1201, 012033 (2023). https://doi.org/10.1088/1755-1315/1201/1/012033
     
  3. D. Park, T. Kim, and K. Kang, “Black carbon and PM2.5 impact analysis in an urban school,” E3S Web Conf. 396, 01056 (2023). https://doi.org/10.1051/e3sconf/202339601056
     
  4. M. A. Torkmahalleh, K. Turganova, Z. Zhigulina, T. Madiyarova, E. K. Adotey, M. Malekipirbazari, G. Buonanno, and L. Stabile, “Formation of cluster mode particles (1–3 nm) in preschools,” Sci. Total Environ. 818, 151756 (2022). https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.151756
     
  5. E. Riera, I. Gonzalez-Gomez, G. Rodriguez, and J. Gallego-Juarez, “Ultrasonic agglomeration and preconditioning of aerosol particles for environmental and other applications,” in Power Ultrasonics (Cambridge, Woodhead Publ., 2023), 861–886. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-820254-8.00029-4
     
  6. L. Moldavsky, C. Gutfinger, A. Oron, and M. Fichman, “Effect of sonic waves on gas filtration by granular beds,” J. Aerosol Sci. 57, 125–130 (2013). https://doi.org/10.1016/j.jaerosci.2012.10.002
     
  7. C. Sheng and X. Shen, “Simulation of acoustic agglomeration processes of poly-disperse solid particles,” Aerosol Sci. Technol. 41, 1–13 (2007). https://doi.org/10.1080/02786820601009704
     
  8. L. Song, “Modelling of Acoustic Agglomeration of Fine Aerosol Particles,” PhD Thesis (Pennsylvania State Univ., University Park, 1990).
     
  9. V. N. Khmelev, R. N. Golykh, A. V. Shalunov, and V. A. Nesterov, “Numerical model of ultrasonic coagulation of dispersed particles in Eckart flows,” Interfacial Phenom. Heat Transfer 11 (2), 1–23 (2022). https://doi.org/10.1615/InterfacPhenomHeatTransfer.2022045659
     
  10. Y. Shi, W. Bai, Z. Zhao, O. Ayantobo, and G. Wang, “Theoretical analysis of acoustic and turbulent agglomeration of droplet aerosols,” Adv. Powder Technol. 34 (10), 104145 (2023). https://doi.org/10.1016/j.apt.2023.104145
     
  11. J. E. Matsson, An Introduction to Ansys Fluent (SDC Publ., Misson, 2023).
     
  12. G. Huang, R. Leung, and Z. Yang, “Implementation of direct acoustic simulation using ANSYS Fluent,” INTER-NOISE NOISE-CON Congr. Conf. Proc. (2021), 1243–1252. https://doi.org/10.3397/IN-2021-1787
     
  13. O. V. Rudenko and S. I. Soluyan, Theoretical Foundations of Nonlinear Acoustics (Nauka, Moscow, 1975) [in Russian].
     
  14. J. H. Giese, “Stream functions for three-dimensional flows,” J. Math. Phys. 30 (1–4), 31–35 (1951). https://doi.org/10.1002/sapm195130131
     
  15. B. Buffoni and E. Wahlen, “Steady three-dimensional rotational flows: An approach via two stream functions and Nash—Moser iteration,” Anal. PDE 12 (5), 1225–1258 (2019). https://doi.org/10.2140/apde.2019.12.1225