Численная модель влияния перекрёстных ультразвуковых полей на формирование агломератов дымовых частиц

Численная модель влияния перекрёстных ультразвуковых полей на формирование агломератов дымовых частиц

Голых Р. Н., Шалунов А. В., Хмелёв В. Н., Данилов П. Д.
Сибирский журнал индустриальной математики, 28, 2(102), 22-38 (2025)
Скачать статью

УДК 534.8 
DOI: 10.33048/SIBJIM.2025.28.202

Аннотация:

Предложен метод расчёта поведения и формирования агломератов дымовых частиц в перекрёстных ультразвуковых полях. Предложенный метод учитывает: сближение агломератов с учётом моментов сил обтекания со стороны газового потока; вращение агломератов за счёт моментов сил со стороны обтекания газового потока; фазовый сдвиг между перекрёстными ультразвуковыми полями, который приводит к вращению результирующего вектора колебательной скорости, и, следовательно, к увеличению эффективной площади сечения столкновения за счёт вращения агломератов. Построено описание морфологии и положения агломератов при представлении агломерата в виде твёрдого тела, характерного для твёрдофазных аэрозолей в виде дымов. Получено уравнение динамики поступательного и вращательного движения агломерата с учётом взаимодействия частиц. Доказано утверждение о наличии вращательного движения с ограниченной угловой скоростью, пропорциональной уровню звукового давления, при фазовом сдвиге перекрёстных полей, равном 90 градусов. Путём численных экспериментов установлено критическое значение угла фазового сдвига, при котором псевдовращательное движение (изменение угла поворота в ограниченном диапазоне, ширина которого составляет менее 180 градусов) переходит во вращательное движение (агломерат делает полный оборот на угол 360 градусов). Критический фазовый сдвиг зависит (слабо) от уровня звукового давления и составляет 82–85 градусов. Переход во вращательное движение позволит повысить эффективность образования более крупных агломератов за счёт увеличения усреднённого сечения при столкновении частиц, обусловленного разностью размеров агломератов по разным осям. Установлено, что для практической реализации повышения эффективности осаждения дымов наиболее целесообразным и реализуемым является ультразвуковое воздействие в перекрёстных полях с разностью частот, много меньшей основной частоты (около 100–200 Гц). Такое воздействие гораздо проще осуществляется по сравнению с поддержанием постоянного фазового сдвига между перекрёстными полями и увеличивает площадь сечения столкновения до нескольких раз.

Литература:
  1. Ray S. K., Singh R. P. Effects of water mist on open fire — a model study // Min. Technol. 2005 V. 114, N 1. P. 1–12; DOI: 10.1179/037178405X44485
     
  2. Li-wei P., Lo S. M., Guang-xuan C. Experimental study of smoke control in subway station for tunnel area fire by water mist system // Procedia Eng. 2011. V. 11. P. 335–342; DOI: 10.1016/j.proeng.2011.04.666
     
  3. Роенко В. В. Использование перегретой воды для тушения пожаров // Мир и безопасность. 2004. № 6. С. 31–37.
     
  4. Morlon R., Boulet P., Parent G., Lechêne S., Blanchard E., Rebuffat C., Fromy P., Vantelon J. P., Borgiallo D. Study of de-stratification and optical effects observed during smoke mist interactions // Fire Technol. 2015. V. 51, N 5. P. 1231–1248; DOI: 10.1007/s10694-014-0437-y
     
  5. Zu K., Yao Y., Cai M., Zhao F., Cheng D. L. Modeling and experimental study on acoustic agglomeration for dust particle removal // J. Aerosol Sci. 2017. V. 114. P. 62–76; DOI: 10.1016/j.jaerosci.2017.09.001
     
  6. Wang Z., Wang X., Huang Y., Tao C., Zhang H. Experimental study on fire smoke control using water mist curtain in channel // J. Hazard. Mater. 2018. V. 342. P. 231–241; DOI: 10.1016/j.jhazmat.2017.08.026
     
  7. Zhang G., Zhou T., Zhang L., Wang J., Chi Z., Hu E. Improving acoustic agglomeration efficiency of coal-fired fly-ash particles by addition of liquid binders // Chem. Eng. J. 2018. V. 334. P. 891–899; DOI: 10.1016/j.cej.2017.10.126
     
  8. Тимошенко В. И., Чернов В. Н. Осаждение и осадконакопление промышленных дымов. Ростов-на-Дону: Ростиздат, 2004.
     
  9. Riera E., Cardoni A., Gallego-Juarez J. A., Acosta V. M., Blanco A., Rodriguez G., Blasco M., Herranz L. E. Recent advances in the development and application of power plate transducers in dense gas extraction and aerosol agglomeration processes // Phys. Procedia. 2015. P. 67–72.
     
  10. Aleixandre M., Riera E., Gallego-Juarez J. A., Delgado-Tardaguila R., Herranz L. E. Characterization of aerosol particle size distribution measurements by fitting lognormal functions during an aerosol acoustic agglomeration process // Proc. 9th Iberian Acoustics Congress. 2016.
     
  11. Riera E., Gonzalez-Gomez I., Rodriguez G., Gallego-Juarez J. A. Ultrasonic agglomeration and preconditioning of aerosol particles for environmental and other applications // Power Ultrasonics. 2015. P. 1023–1058.
     
  12. Sheng C. D., Shen X. L. Modelling Acoustic Agglomeration Processes Using Direct Simulation Monte Carlo Method // J. Aerosol Sci. 2006. N 37. P. 16–36.
     
  13. Sheng C. D., Shen X. L. Simulation of acoustic agglomeration processes of poly-disperse solid particle // Aerosol Sci. Technol. 2007. N 41. P. 1–13.
     
  14. Rez J. A. G., Riera-Franco De Sarabia E., Guez-Corral G. R., Hoffmann T. L., Gaalvez-Moraleda J. C., Guez-Maroto Mez-Moreno F. J. G., Bahillo-Ruiz A., Nespigares M. M., Acha M. Application of acoustic agglomeration to reduce fine particle emissions from coal combustion plants // Environ. Sci. Technol. 1999. N 33. P. 3843–3849. 
     
  15. Riera-Franco de Sarabia E., Elvira-Segura L., Gonzalez-Gomez I., Rodriguez-Maroto J. J., Munoz-Bueno R., Dorronsoro-Areal J. L. Investigation of the influence of humidity on the ultrasonic agglomeration of submicron particles in diesel exhausts // Ultrasonics. 2003. V. 41, N 4. P. 277–281.
     
  16. Pangu G. D., Feke D. L. Acoustically aided separation of oil droplets from aqueous emulsions // Chem. Eng. Sci. 2004. V. 59, N 15. P. 3183–3193.
     
  17. Derevich I. V. Coagulation kernel of particles in a turbulent gas flow // Int. J. Heat Mass Transf. 2007. N 50. P. 1368–1387.
     
  18. Аманбаев Т. Р. Влияние осаждения и коагуляции частиц на параметры текущих в трубе наноаэрозолей // Журн. техн. физики. 2021. Т. 91, № 3. С. 395–401.
     
  19. Тимофеева М. В. Влияние коагуляции капель воды на их распределение по размерам в рабочей части аэрохолодильной установки // Журн. техн. физ. 2019. Т. 89, № 4. С. 491–496.
     
  20. Khmelev V. N., Shalunov A. V., Golykh R. N. Physical Mechanisms and Theoretical Computation of Efficiency of Submicron Particles Agglomeration by Nonlinear Acoustic Influence // Aerosol Air Qual. Res. 2021. V. 21, N 2. Article 200063; DOI: 10.4209/aaqr.2020.02.0063
     
  21. Khmelyov V. N., Golykh R. N., Nesterov V. A. et al. Numerical Model of Ultrasonic Agglomeration of Submicron Particles in Resonant Gas Gaps // J. Eng. Phys. Thermophys. 2023. V. 96. P. 255–265; DOI: 10.1007/s10891-023-02682-4
     
  22. Khmelev V. N., Shalunov A. V., Nesterov V. A., Terentiev S. A. Influence of Acoustic Streams on the Efficiency of Ultrasonic Particle Agglomeration // Appl. Sci. 2024. V. 14, N 2. P. 559–581; DOI: 10.3390/app14020559
     
  23. Хмелёв В. Н., Шалунов А. В., Голых Р. Н. Метод расчёта ультразвуковой коагуляции частиц размеров менее 2.5 мкм в трёхмерных вихревых и турбулентных акустических полях // Сиб. журн. индустр. матем. 2024. Т. 27, № 1. С. 72–86; DOI: 10.33048/SIBJIM.2024.27.106
     
  24. Wang K., Gu H., Zhang G., Luo K., Zhang Q., Chen G., Zhan M., Chi Z., A Novel Fire Smoke Elimination Technology Using Electric Agglomeration: The Concept, Experimental Verification and Mechanisms // J. Hazard. Mater. 2023. V. 441; DOI: 10.1016/j.jhazmat.2022.129950
     
  25. Ekiel-Jezewska M. L., Wajnryb E. Precise multipole method for calculating hydrodynamic interactions between spherical particles in the Stokes flow // Theoretical Methods for Micro Scale Viscous Flows. 2009. P. 127–172. 
     
  26. Мартынов С. И., Коновалова Н. И. Динамика магнитных частиц в вязкой жидкости // Изв. вузов. Поволжский регион. Физ.-матем. науки. 2009. № 3. С. 3–11.
     
  27. Коновалова Н. И., Мартынов С. И. Обтекание двух сфер нестационарным потоком вязкой жидкости // Нелинейная динамика. 2008. Т. 4, № 4. С. 467–481.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 24-19-00900; https://rscf.ru/project/24-19-00900/). Других источников финансирования проведения или руководства данным конкретным исследованием не было.

Р. Н. Голых
  1. Бийский технологический институт, 
    ул. имени Героя Советского Союза Трофимова, 27, г. Бийск 659305, Россия

E-mail: grn@bti.secna.ru

А. В. Шалунов
  1. Бийский технологический институт, 
    ул. имени Героя Советского Союза Трофимова, 27, г. Бийск 659305, Россия

E-mail: shalunov@bti.secna.ru

В. Н. Хмелёв
  1. Бийский технологический институт, 
    ул. имени Героя Советского Союза Трофимова, 27, г. Бийск 659305, Россия

E-mail: vnh@bti.secna.ru

П. Д. Данилов
  1. Бийский технологический институт, 
    ул. имени Героя Советского Союза Трофимова, 27, г. Бийск 659305, Россия

E-mail: nopepal@mail.ru

Статья поступила 27.08.2024 г.
После доработки — 22.06.2025 г.
Принята к публикации 23.06.2025 г.

Abstract:

A method for calculating the behavior and formation of smoke particle agglomerates in cross ultrasonic fields is proposed. The proposed method takes into account: the convergence of agglomerates taking into account the moments of flow forces from the gas flow; rotation of agglomerates due to the moments of forces from the flow around the gas flow; a phase shift between ultrasonic cross fields, which leads to rotation of the resulting vibrational velocity vector and, consequently, to an increase in the effective collision cross-sectional area due to the rotation of the agglomerates. A description of the morphology and position of agglomerates is constructed when representing the agglomerate as a solid body, typical for solid-phase aerosols in the form of smoke. An equation for the dynamics of translational and rotational motion of an agglomerate is obtained taking into account the interaction of particles. The statement about the presence of rotational motion with a limited angular velocity proportional to the sound pressure level is proven, with a phase shift of cross fields equal to 90 degrees. By means of numerical experiments the critical value of the phase shift angle was established, at which the pseudo-rotational motion (change in the rotation angle in a limited range, the width of which is less than 180 degrees) passes into rotational motion (the agglomerate makes a full revolution at an angle of 360 degrees). The critical phase shift depends (weakly) on the sound pressure level and is from 82 to 85 degrees. The transition to rotational motion will increase the efficiency of forming larger agglomerates due to an increase in the average cross-section during particle collisions, caused by the difference in the sizes of agglomerates along different axes. It was established that for the practical implementation of increasing the efficiency of smoke deposition, the most appropriate and feasible is ultrasonic action in cross fields with a frequency difference much lower than the fundamental frequency (from about 100 Hz to 200 Hz). Such action is much easier to implement compared to maintaining a constant phase shift between the cross fields and increases the collision cross-sectional area up to several times.

References:
  1. Ray S. K., Singh R. P. Effects of water mist on open fire – a model study. Min. Technol., 2005, Vol. 114, No. 1, pp. 1–12; DOI: 10.1179/037178405X44485
     
  2. Li-wei P., Lo S. M., Guang-xuan C. Experimental study of smoke control in subway station for tunnel area fire by water mist system. Procedia Engineering, 2011, Vol. 11, pp. 335–342; DOI: 10.1016/j.proeng.2011.04.666
     
  3. Roenko V. V. Ispol’zovanie peregretoj vody dlja tushenija pozharov [Using superheated water to extinguish fires]. Mir i bezopasnost’ [Peace and security], 2004, No. 6, pp. 31–37 (in Russian).
     
  4. Morlon R., Boulet P., Parent G., Lechêne S., Blanchard E., Rebuffat C., Fromy P., Vantelon J. P., Borgiallo D. Study of de-stratification and optical effects observed during smoke mist interactions. Fire Technology, 2015, Vol. 51, No. 5, pp. 1231–1248; DOI: 10.1007/s10694-014-0437-y
     
  5. Zu K., Yao Y., Cai M., Zhao F., Cheng D. L. Modeling and experimental study on acoustic agglomeration for dust particle removal. J. Aerosol Sci., 2017, Vol. 114, pp. 62–76; DOI: 10.1016/j.jaerosci.2017.09.001
     
  6. Wang Z., Wang X., Huang Y., Tao C., Zhang H. Experimental study on fire smoke control using water mist curtain in channel. J. Hazardous Materials, 2018, Vol. 342, pp. 231–241; DOI: 10.1016/j.jhazmat.2017.08.026
     
  7. Zhang G., Zhou T., Zhang L., Wang J., Chi Z., Hu E. Improving acoustic agglomeration efficiency of coal-fired fly-ash particles by addition of liquid binders. Chemical Engrg. J., 2018, Vol. 334, pp. 891–899; DOI: 10.1016/j.cej.2017.10.126
     
  8. Timoshenko V. I., Chernov V. N. Osazhdenie i osadkonakoplenie promyshlennyh dymov [Deposition and sedimentation of industrial fumes]. Rostov-on-Don: Rostizdat, 2004.
     
  9. Riera E., Cardoni A., Gallego-Juarez J. A., Acosta V. M., Blanco A., Rodriguez G., Blasco M., Herranz L. E. Recent advances in the development and application of power plate transducers in dense gas extraction and aerosol agglomeration processes. 43rd Annual Symposium of the Ultrasonic Industry Association, 2015. P. 67–72.
     
  10. Aleixandre M., Riera E., Delgado-Tardaguila R., Herranz L. E., Gallego-Juarez J. A. Study about the application of acoustic agglomeration of aerosols for source term mitigation in nuclear accidents. Sonochemistry and Sonoprocessing, 2016.
     
  11. Riera E., Gonzalez-Gomez I., Rodriguez G., Gallego-Juarez J. A. Ultrasonic agglomeration and preconditioning of aerosol particles for environmental and other applications. Power Ultrasonics, 2015. P. 1023–1058.
     
  12. Sheng C. D., Shen X. L. Modelling Acoustic Agglomeration Processes Using Direct Simulation Monte Carlo Method. J. Aerosol Sci., 2006, Iss. 37, pp. 16–36.
     
  13. Sheng C. D., Shen X. L. Simulation of acoustic agglomeration processes of poly-disperse solid particle. J. Aerosol Sci. Techol., 2007, Iss. 41, pp. 1–13.
     
  14. Rez J. A. G., Riera-Franco De Sarabia E., Guez-Corral G. R., Hoffmann T. L., Gaalvez-Moraleda J. C., Guez-Maroto Mez-Moreno F. J. G., Bahillo-Ruiz A., Nespigares M. M., Acha M. Application of acoustic agglomeration to reduce fine particle emissions from coal combustion plants. Environ. Sci. Technol., 1999, Iss. 33, pp. 3843–3849. 
     
  15. Riera-Franco de Sarabia E., Elvira-Segura L., Gonzalez-Gomez I., Rodriguez-Maroto J. J., Munoz-Bueno R., Dorronsoro-Areal J. L. Investigation of the influence of humidity on the ultrasonic agglomeration of submicron particles in diesel exhausts. Ultrasonics, 2003, Vol. 41, Iss. 4, pp. 277–281.
     
  16. Pangu G. D., Feke D. L. Acoustically aided separation of oil droplets from aqueous emulsions. Chem. Eng. Sci., 2004. Vol. 59, Iss. 15, pp. 3183–3193.
     
  17. Derevich I. V. Coagulation kernel of particles in a turbulent gas flow. Internat. J. Heat Mass Transfer, 2007, Iss. 50, pp. 1368–1387.
     
  18. Amanbaev T. R. Vlijanie osazhdenija i koaguljacii chastic na parametry tekushhih v trube nanoajerozolej [The effect of particle deposition and coagulation on the parameters of nanoaerosols flowing in the pipe]. Zhurn. tehnich. fiziki [J. Techn. Phys.], 2021, Vol. 91, Iss. 3, pp. 395–401.
     
  19. Timofeeva M. V. Vlijanie koaguljacii kapel’ vody na ih raspredelenie po razmeram v rabochej chasti ajeroholodil’noj ustanovki [The effect of coagulation of water droplets on their size distribution in the working part of an air-cooling unit]. Zhurn. tehnich. fiziki [J. Techn. Phys.], 2019, Vol. 89, Iss. 4, pp. 491– 496.
     
  20. Khmelev V. N., Shalunov A. V., Golykh R. N. Physical Mechanisms and Theoretical Computation of Efficiency of Submicron Particles Agglomeration by Nonlinear Acoustic Influence. Aerosol and Air Quality Research, 2021, Vol. 21, No. 2, pp. 200063; DOI: 10.4209/aaqr.2020.02.0063
     
  21. Khmelyov V. N., Golykh R. N., Nesterov V. A. et al. Numerical model of ultrasonic agglomeration of submicron particles in resonant gas gaps. J. Engrg. Phys. Thermophys., 2023, Vol. 96, pp. 255–265; DOI: 10.1007/s10891-023-02682-4
     
  22. Khmelev V. N., Shalunov A. V., Nesterov V. A., Terentiev S. A. Influence of acoustic streams on the efficiency of ultrasonic particle agglomeration. Appl. Sci., 2024, Vol. 14, No. 2, pp. 559–581; DOI: 10.3390/app14020559
     
  23. Khmelev V. N., Shalunov A. V., Golykh R. N. Metod raschjota ul’trazvukovoj koaguljacii chastic razmerov menee 2.5 mkm v trjohmernyh vihrevyh i turbulentnyh akusticheskih poljah [A method for calculating ultrasonic coagulation of particles smaller than 2.5 microns in three-dimensional vortex and turbulent acoustic fields]. Sib. Zhurn. Indust. Mat. [Siberian J. Indust. Math.], 2024, Vol. 27, No. 1, pp. 72–86 (in Russian); DOI: 10.33048/SIBJIM.2024.27.106
     
  24. Wang K., Gu H., Zhang G., Luo K., Zhang Q., Chen G., Zhan M., Chi Z., A novel fire smoke elimination technology using electric agglomeration: the concept, experimental verification and mechanisms. J. Hazardous Materials, 2023, Vol. 441; DOI: 10.1016/j.jhazmat.2022.129950
     
  25. Ekiel-Jezewska M. L., Wajnryb E. Precise multipole method for calculating hydrodynamic interactions between spherical particles in the Stokes flow. Theor. Methods for Micro Scale Viscous Flows, 2009, pp. 127–172.
     
  26. Martynov S. I., Konovalova N. I. Dinamika magnitnyh chastic v vjazkoj zhidkosti [Dynamics of magnetic particles in a viscous liquid]. News of higher educational institutions. The Volga region. Phys. math. sci. [Izv. vysshikh ucheb. zaved. The Volga region. Phys. math. sci.], 2009, Iss. 3, pp. 3–11.
     
  27. Konovalova N. I., Martynov S. I. Obtekanie dvuh sfer nestacionarnym potokom vjazkoj zhidkosti // [Flow around two spheres by an unsteady flow of viscous liquid] Nelinejnaja dinamika [Nonlinear dynamics], 2008, Vol. 4, No. 4, pp. 467–481.