Numerical Simulation of Oscillations of an Electrically Charged Gas Suspension in an Acoustic Resonator With an Electric Potential on the Walls
DOI:
https://doi.org/10.17072/1993-0550-2026-3-71-86Keywords:
fluid and gas mechanics, multiphase media, electrohydrodynamics, continuum methodology, numerical modelingAbstract
This paper presents numerical simulations of oscillations of an electrically charged gas suspension in an acoustic resonator with electric potentials applied to the resonator walls. The mathematical model utilizes a continuum technique for modeling the dynamics of multiphase media in Euler coordinates, accounting for the interaction between the gas and the dispersed phase. The dynamics of the carrier medium are described by a system of Navier-Stokes equations for a compressible, heat-conducting gas. Aerosol dynamics are calculated in the monodisperse approximation for various sizes of dispersed inclusions in electrically neutral and electrically charged gas suspensions. The influence of the volume content of the dispersed phase and the size of the dispersed inclusions on the oscillation intensity of the carrier medium and the dispersed phase is investigated, with and without the influence of the Coulomb force. Numerical calculations demonstrate that in an electrically neutral gas suspension, with an increasing volume fraction of the dispersed phase and a decreasing particle size, at a fixed volume fraction, the oscillation velocity of the carrier medium and the dispersed component decreases. The oscillation velocity of fine particles is consistent with the oscillation velocity of the carrier medium. The study has found that in electrically charged gas suspensions, the velocity of the gas suspension components is greater than in an electrically neutral gas suspension. This can be explained by the fact that the deposition of dispersed particles on the resonator walls under the influence of the electric field reduces the influence of the dispersed phase on the oscillations of the carrier medium. As a result of the higher velocity of the carrier medium in an electrically charged gas suspension, the dispersed particles also have a higher velocity compared to the velocity of dispersed particles in an electrically neutral gas suspension. Numerical calculations demonstrate that in gas suspensions with a high-volume content and in gas suspensions with a smaller size of dispersed inclusions, the influence of the electric field on the dynamics of the mixture components is more pronounced than in gas suspensions with a low content of the dispersed phase or in gas suspensions with coarse particles.
References
Красильников В. А., Крылов В. В. Введение в физическую акустику. М.: Наука, 1984. 400 с.
Сорокин Л. Е. Влияние зависимости коэффициента теплопроводности от температуры на жесткую неустойчивость течения бинарной смеси с термодиффузией // Вестник Пермского университета. Математика. Механика. Информатика. 2011. № 1 (5). С. 90−94.
Нигматулин Р. И. Динамика многофазных сред. М.: Наука, 1987. Ч. 1. 464 с.
Кутушев А. Г. Математическое моделирование волновых процессов в аэродисперсных и порошкообразных средах. СПб.: Недра, 2003. 284 с.
Ягодкин И. В., Посаженников А. М., Гришин А. Г., Мельников В. П. Применение метода электрофизического воздействия на дисперсную среду в устройствах высоко-эффективной фильтрации газовых сред от аэрозолей различного происхождения // Известия высших учебных заведений. Ядерная энергетика. 2012. № 1. С. 71−79.
Теплых А. А., Зайцев Б. Д., Семенов А. П., Бородина И. А. Акустический резонатор с радиальным возбуждающим электрическим полем // Известия Российской академии наук. Серия физическая. 2021. Т. 85, № 6. С. 869−874.
Wu M., Ozcelik A., Rufo J., Wang Z., Fang R., Huang T. J. Acoustofluidic separation of cells and particles // Microsystems nanoengineering. 2019. Vol. 5.
Lei J., Cheng F., Li K. Numerical simulation of boundary-driven acoustic streaming in microfluidic channels with circular cross-sections // Micromachines. 2020. Vol. 11, № 3. Art. 240. DOI: 10.3390/mi11030240.
Жуховицкий Д. И. Пылевые ионизационные и пылевые акустические волны в газовом разряде постоянного тока при низком давлении в условиях микрогравитации // Фи-зика плазмы. 2022. Т. 48, № 10. С. 910−913.
Григорьев А. И., Колбнева Н. Ю., Ширяева С. О. Об акустическом излучении слабо заряженных капель, осциллирующих во внешнем однородном электростатическом поле // Известия Российской академии наук. Механика жидкости и газа. 2022. № 5. С. 51−61.
Доброклонская М. С., Печеркин В. Я., Владимиров В. И., Василяк Л. М. Траектории заряженных микрочастиц в линейной квадрупольной ловушке с удерживающим напряжением прямоугольной формы // Прикладная физика. 2024. № 4. С. 96−100.
Тукмаков Д. А. Численное моделирование колебаний вязкого газа с дисперсными включениями с частотой первого линейного резонанса в закрытом канале // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Физико-математические науки. 2022. Т. 63, № 3. С. 58–71.
Тукмаков Д. А. Численное исследование скоростного скольжения несущей и дисперсной фазы при взаимодействии ударной волны с электрически заряженной газовзвесью // Вестник Пермского университета. Физика. 2020. № 1. С. 35–42.
Tukmakov D. A. Investigation of the grid convergence of a finite-difference model of the dynamics of an electrically charged gas suspension // 6th International Youth Conference on Radio Electronics, Electrical and Power Engineering (REEPE). URL: https://doi.org/10.1109/REEPE60449.2024.10479689 (дата обращения: 10.05.2026).
Флетчер К. Вычислительные методы в динамике жидкостей. Т. 2. М.: Мир, 1991. 552 c.
Сальянов Ф. А. Основы физики низкотемпературной плазмы, плазменных аппаратов и технологий. М.: Наука, 1997. 240 c.
Ковеня В. М., Тарнавский Г. А., Черный С. Г. Применение метода расщепления в задачах аэродинамики. Новосибирск: Наука, 1990. 246 с.
Музафаров И. Ф., Утюжников С. В. Применение компактных разностных схем к исследованию нестационарных течений сжимаемого газа // Математическое моделирование. 1993. T. 5, № 3. C. 74–83.
Тукмаков А. Л. Численное моделирование акустических течений при резонансных колебаниях газа в закрытой трубе // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. 2006. № 4. С. 33−36.
Крылов В. И., Бобков В. В., Монастырный П. И. Вычислительные методы. Т. 2. М.: Наука, 1977. 399 c.
Downloads
Published
Issue
Section
License
Copyright (c) 2026 Дмитрий Алексееевич Тукмаков
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Articles are published under license Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0).
