Сотрудники Института гидродинамики им. М. А. Лаврентьева СО РАН нашли эффективный способ построения численных моделей, отражающих особенности взаимодействия газа и твердых частиц. Разработанный на его основе открытый код позволит значительно упростить проведение расчетов. Статьи об исследованиях были опубликованы в журналах Fluids и Journal of Computational Physics.
Изучение способов построения моделей движения газа с твердыми частицами — одна из актуальных задач современной науки. Компьютерные симуляторы движения газодисперсных сред имеют много промышленных и научных приложений. Они позволяют рассчитывать влияние твердых частиц на поток газа, что необходимо специалистам во многих областях. Однако, прежде чем получить картинку на экране, необходимо записать и решить выражающие известные законы природы уравнения. Работать с последними вручную невозможно в силу их громоздкости, поэтому приходится использовать численные методы и компьютеры, дающие результаты, в той или иной мере приближенные к реальности.
Ольга Стояновская
Как отмечает старший научный сотрудник лаборатории прикладной и вычислительной гидродинамики ИГиЛ СО РАН кандидат физико-математических наук Ольга Петровна Стояновская, твердые компоненты оказывают значительное влияние на движение газообразной среды, поэтому необходимо уметь надежно предсказывать поведение течения. Ученые института придумали, как сделать ранее существовавшие расчетные модели экономичнее и точнее в тех случаях, когда объектом исследования становятся частицы разного размера: от мелкодисперсных до крупных (в нормальных условиях их размер может находиться в пределах от десяти нанометров до одного миллиметра).
«В основе новой разработки лежат фундаментальные законы сохранения массы, импульса и энергии, помимо них в зависимости от выполняемой задачи учитываются другие закономерности. Они выделяются на основе данных, полученных в ходе экспериментов, которые проводят наши коллеги, например из ФИЦ “Институт катализа им. Г. К. Борескова СО РАН”», — рассказывает Ольга Петровна.
Построение готовой модели проходит в несколько этапов. Сначала осуществляется теоретическая оценка ключевых параметров исследуемых объектов: диапазона давлений, температур, длины пробега, а также размеров молекул газа и твердых частиц. В соответствии с полученными результатами специалисты подбирают уравнения, для них устанавливаются необходимые коэффициенты. Чтобы создать трехмерную имитацию, необходимо научиться решать записанную систему законов. По словам Ольги Стояновской, для этого существует несколько подходов. Один из самых популярных методов — сеточный — подразумевает разделение пространства, занимаемого средой, на неподвижные ячейки, через которые протекает вещество. Такой способ позволяет увидеть, каким образом происходит обозначенный процесс. Сотрудники института применяют более совершенный метод, связанный с разбиением моделируемого объекта на частицы, которые двигаются сами по себе. «Фактически мы выделяем в общем объеме множество условных объемов-маркеров, перемещающихся вместе со средой. Одни элементы двигаются вместе с газом, а другие — с твердыми частицами. Таким образом мы можем следить за каждой областью и точнее определять характер их взаимодействия», — отмечает исследовательница.
На основе нового метода был разработан открытый код, предназначенный для использования на персональных и суперкомпьютерах, благодаря чему стало возможным создание программ моделирования, работающих для широкого диапазона размеров твердых частиц. Исследования проводились по проекту Российского научного фонда.
Зависимость коэффициента трения между газом и частицами от числа Рейнольдса (комбинированного параметра, который характеризует размер и скорость движения частицы в газе)
Разработка сотрудников ИГиЛ СО РАН позволит решать новые задачи. В частности, она будет востребована при изучении формирования планет из их астрофизических предшественников, околозвездных дисков, представляющих собой смесь газа с пылью. В области газохимии симулятор поможет создавать реакторы нового поколения для получения ценных продуктов из компонентов природного газа. В будущем модель может стать полезной при обнаружении проблем, связанных с загрязнением воздуха. Она даст возможность учитывать влияние каждого дома, дерева и так далее и таким образом извлекать намного больше информации.
На данный момент в области моделирования смесей газа с частицами существует ряд нерассмотренных вопросов. Один из них связан с отсутствием эффективной модели роста и дробления частиц нескольких размеров, которую можно было бы совмещать с детальными трехмерными моделями движения смесей газа с частицами. Как отмечает Ольга Петровна, в ближайшее время исследования института, нацеленные на создание математических моделей и методов для симуляторов движения таких сред, будут продолжены, что, скорее всего, позволит решить эту проблему.
Дмитрий Медведев, студент факультета журналистики ГИ НГУ
Фото предоставлены исследовательницей
