Моделирование газодинамических процессов с различными уравнениями состояния

Валентин Алексеевич Тененев; Мария Равилевна Королева

doi:10.22213/2410-9304-2023-3-115-123

Авторы

В. А. Тененев УдмФИЦ УрО РАН; ИжГТУ имени М. Т. Калашникова
М. Р. Королева УдмФИЦ УрО РАН; ИжГТУ имени М. Т. Калашникова

DOI:

https://doi.org/10.22213/2410-9304-2023-3-115-123

Ключевые слова:

предохранительный клапан, уравнение Соаве - Редлиха - Квонга, уравнение Ван-дер-Ваальса, идеальный газ, уравнения состояния

Аннотация

Работа посвящена исследованию особенностей газодинамических процессов, протекающих при высоких давлениях. Рассматриваются течения воздуха, водорода и водяного пара. В работе анализируются результаты, полученные с использованием уравнения идеального газа и двух уравнений реального газа - Ван-дер-Ваальса и Соаве - Редлиха - Квонга. Сравнение проводилось на основе данных, полученных в результате численного моделирования работы предохранительного клапана, настроенного на срабатывание при высоких давлениях. Задача решалась в трехмерной нестационарной постановке с использованием метода конечного объема. Численный метод решения основан на методе Годунова. В работе приведены результаты сравнения изотерм, полученных с применением рассматриваемых уравнений состояния в областях изменения термодинамических параметров газов при течении в клапане для каждой среды. Более подробно влияние модели газа на процессы в предохранительном клапане исследовалось для водорода. Проведено подробное сравнение локальных распределений давления, температуры, плотности и скорости потока. Комплексное влияние параметров потока исследовалось по интегральным характеристикам - газодинамической силе, действующей на диск и расход газа. Показано, что газодинамические силы, полученные в рамках модели идеального газа и газа Соаве - Редлиха - Квонга, оказались близкими по величине и превышают силу для газа Ван-дер-Ваальса. Однако расход идеального газа существенно превышает величины расходов для обоих реальных газов. Это связано с двукратным превышением плотности, которое не компенсируется снижением скорости течения. Полученные результаты позволяют сделать вывод о необходимости использования уравнений состояния реального газа для получения точных данных о динамических и скоростных воздействиях газовых течений на технические устройства в условиях высоких давлений.

Биографии авторов

В. А. Тененев, УдмФИЦ УрО РАН; ИжГТУ имени М. Т. Калашникова

доктор физико-математических наук, профессор

М. Р. Королева, УдмФИЦ УрО РАН; ИжГТУ имени М. Т. Калашникова

кандидат физико-математических наук, доцент

Библиографические ссылки

Тененев В. А., Королева М. Р. Численное моделирование течения реального газа Ван-дер-Ваальса в ударной трубе // Интеллектуальные системы в производстве. 2021. Т. 19, № 2. С. 96-103. DOI 10.22213/2410-9304-2020-3-118-126.

Численное решение многомерных задач газовой динамики / С. К. Годунов, А. В. Забродин, М. Я. Иванов, А. Н. Крайко, Г. П. Прокопов. М.: Наука, 1976. 400 c.

Численное моделирование процесса срабатывания предохранительного клапана / М. Р. Королева, О. В. Мищенкова, Т. Редер, В. А. Тененев, А. А. Чернова // Компьютерные исследования и моделирование. 2018. Т. 10, № 4. С. 495-509. DOI 10.20537/2076-7633-2018-10-4-495-509.

Raeder T., Tenenev V., Chernova A., Koroleva M. Multilevel simulation of direct operated safety valve / Ivannikov Isp Ras Open Conference: Proceeding, ISPRAS 2018. Moscow, 2019. Pp. 109-115. DOI: 10.1109/ISPRAS.2018.00025.

Raeder T., Mishchenkova O.V., Koroleva M.R., Tenenev V.A. Nonlinear processes in safety systems for substances with parameters close to a critical state // Russian Journal of Nonlinear Dynamics. 2021. Vol. 17. № 1. Pp. 119-138. DOI: 10.20537/nd210109.

Zohuri B. Properties of Pure Substances. Physics of Cryogenics. Elsevier, 2018. - 710 p. DOI 10.1016/B978-0-12-814519-7.03001-9.

Benedict M. An empirical equation for thermodynamic properties of light hydrocarbons and their mixtures //j. Chem. Physics. 1940. Vol. 8. Pp. 334-345.

Akberov R. R. Calculating the vapor-liquid phase equilibrium for multicomponent systems using the Soave-Redlich-Kwong equation // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. 2011. Vol. 45. № 3. Pp. 312-318. DOI 10.1134/S004057951103002X.

Soave G. 20 years of Redlich-Kwong equation of state // Fluid Phase Equilibria. 1993. Vol. 82. Pp. 345-359. DOI 10.1016/0378-3812(93)87158-W.

Maxwell J. Van der Waals on the Continuity of the Gaseous and Liquid States // In W. Niven (Ed.), The Scientific Papers of James Clerk Maxwell (Cambridge Library Collection - Physical Sciences). 2011. Pp. 407-415. DOI 10.1017/CBO9780511710377.044.

Demirel Y., Gerbaud V. Nonequilibrium Thermodynamics. Fundamentals of Equilibrium Thermodynamics. Elsevier, 2019. 854 p. DOI 10.1016/b978-0-444-64112-0.00001-0

Peng D., Robinson D. A new two constant equation of state // Ind. Eng. Chem. Fundamentals. 1976. Vol. 15. Pp. 59-64.

Betancourt-Cardenas F.F., Galicia-Luna L.A., Sandler S.I. Equation of state for the Lennard-Jones fluid based on the perturbation theory // Fluid Phase Equilibria. 2008. Vol. 264. №. 1-2. Pp. 174-183. DOI 10.1016/j.fluid.2007.11.015.

Paricaud P. Recent advances in the use of the SAFT approach in describing electrolytes, interfaces, liquid crystals and polymers // Fluid phase equilibria. 2002. Vol. 194. Pp. 87-96. DOI 10.1002/chin.200225274

Span R. Multiparameter Equation of State: An Accurate Source of Thermodynamic Property Data. Berlin: Springer, 2000. 367 p. DOI 10.1007/978-3-662-04092-8_4

Кочетков А. В., Федотов П. В. Уравнения состояния газа и модель идеального газа // Науковедение. 2017. Т. 9, № 3. С. 57.