Анализ конвективных потоков при изотермическом перемешивании трехкомпонентных газовых смесей методом компьютерного моделирования (на английском языке)

PDF файл (Скачать)

МРНТИ 29.17.15
N2-2025
https://doi.org/10.53939/1560-5655_2025_2_104

Мукамеденкызы В., Толепберген А.Г., Акбердиев Б.Е., Альтенбах Х.

Аннотация. В многокомпонентных газовых смесях существует большое разнообразие режимов перемешивания. Ключевой задачей является опреде-
ление границы между диффузионным и конвективным режимами, а также определение параметров, определяющих конвективный режим, который
играет решающую роль в процессах массопереноса. В данном исследовании представлена вычислительная модель для изучения изотермического
диффузионного переноса в трехкомпонентных газовых смесях. Анализ фокусируется на соотношении коэффициентов переноса с течением времени с
использованием трехмерного численного моделирования в вертикальном цилиндрическом канале конечных размеров. Путем разделения физических
параметров исследуемой системы исследован процесс изотермического диффузионного перемешивания трехкомпонентных газовых смесей в цилин-
дрических вертикальных каналах. Результаты показывают, что в системах, где коэффициенты диффузии компонентов сопоставимы, механическое рав-
новесие неустойчиво. В тех случаях, когда существует значительная разница в коэффициентах диффузии, может возникнуть конвективное движение. Пер-
воначально эти конвективные потоки развиваются с низкими скоростями, но со временем они превращаются в структурированные структуры. Результаты
расчетов хорошо согласуются с экспериментальными данными, подтверждая предложенный подход к определению границы между режимами диффузии
и конвекции, обусловленной концентрацией, в газовых смесях.
Ключевые слова: диффузия, конвекция, газы, компьютерное моделирование.

Список литературы / References
1 Banerjee A. Rayleigh-Taylor Instability: A Status Review of Experimental Designs
and Measurement Diagnostics // Journal of Fluids Engineering. – 2020.
- № 142(12). – P. 12-29. https://doi.org/10.1115/1.4048349.
2 Kallepalli S., Johnson L. and Mattson B. Diffusion of Gases into Air: A Simple
Small-Scale Laboratory Activity // Journal of Chemical Education. – 2021.
- № 98(10). – P. 3258-3262. https://doi.org/10.1021/acs.jchemed.1c00657.
3 Zhakebayev D.B., Fedorenko O.V., Kossov V.N., Mukamedenkyzy V. and Karuna
O.L. Simulation of concentration convection in an inclined channel // Heat
Transfer Research. – 2022. - № 53(15). – P. 39-52. https://doi.org/10.1615/Heat-
TransRes.2022043133.
4 Kossov V., Fedorenko O., Asembaeva M., Mukamedenkyzy V. and Moldabekova
M. Intensification of the separation of isothermal ternary gas mixtures containing
carbon dioxide // Chem. Eng. Technol. – 2021. – Vol. 44, No. 11. – P. 2034-2040.
https://doi.org/10.1002/ceat.202100241.
5 McLarena C.P., Kovarb T.M., Penna A., Müllera C.R. and Boycea C.M. Gravitational
instabilities in binary granular materials // PNAS. – 2019. - № 117. – P.
9263-9268. doi/10.1073/pnas.1820820117.
6 Tang Y., Li Z., Wang R., Cui M., Wang X., Lun Z. and Lu Y. Experimental Study
on the Density-Driven Carbon Dioxide Convective Diffusion in Formation Water at
Reservoir Conditions // ACS Omega. – 2019. - № 4. – P. 11082−11092. https://doi.
org/10.1021/acsomega.9b00627.
7 Ortiz de Zarate J.M. Definition of frame-invariant thermodiffusion and Soret coefficients
for ternary mixtures // Eur. Phys. J. E. – 2019. - № 42. – P. 399–404. https://
doi.org/10.1140/epje/i2019-11803-2.
8 Kossov V., Fedorenko O., Zhakebayev D., Mukamedenkyzy V. and Kulzhanov D.
Convective mass transfer of a binary gas mixture in an inclined channel // ZAMMJ.
Appl. Math. Mech. – 2022. - № 102. https://doi.org/10.1002/zamm.201900197.
9 Kossov V. and Altenbach H. Diffusion mechanisms of convective instability
in liquid and gas mixtures // Z Angew Math Mech. – 2023. - № 103. https://doi.
org/10.1002/zamm.202300801.
10 Kosov V.N., Fedorenko O.V. Asembaeva M.K. and Mukamedenkyzy V. Changing
diffusion – convection modes in ternary mixtures with a diluent gas // Theoretical
Foundations of Chemical Engineering. – 2020. – Vol. 54, No. 2. – P. 289-296.
https://doi.org/10.1134/S0040579520020086.
11 Zhavrin Yu. I., Kosov V.N. Some peculiarities of the dynamics of unstable diffuse
mass transfer in isothermal ternary gas mixtures // Thermophysics and Aeromechanics.
- 1995. – №2(2). – P. 139-144.
12 Peixoto M.L.R., Brito M.S.C.A., Santos R. J. and Vilar V.J.P. Kinetic model
implementation in raceway pond reactors with hydrodynamic and radiation fields
// Chemical Engineering Research and Design. – 2024. - № 210. – P. 150–172.
https://doi.org/10.1017/j.cherd.2024.08.030.
13 Abd Halim M. A., Nik Mohd N. A. R., Mohd Nasir M. N. and Dahalan M. N.
The Evaluation of k-ε and k-ω Turbulence Models in Modelling Flows and Performance
of S-shaped Diffuser // International Journal of Automotive and Mechanical
Engineering, – 2018. - № 15. – P. 5171-5177. https://doi.org/10.15282/
ijame.15.2.2018.2.0399.
14 Kossov V., Fedorenko O., Asembaeva M., Moldabekova M. and Zhaneli M.
Diffusion instability in three-component gas mixtures containing greenhouse gas
// International Journal of Thermofluids. – 2023. - № 20. https://doi.org/10.1017/j.
ijft.2023.100495.
15 Pavlov A.V. Diffusion and Thermodiffusion of Atmospheric Neutral Gases:
A Review // A Review Surv. Geophys. – 2019. - № 40. – P. 247-276. https://doi.
org/10.1007/s10712-019-09522-2.
16 Kosov V., Fedorenko O.V., Asembaeva M.K. and Mukamedenkyzy V. Changing
diffusion-convection modes in ternary mixtures with a diluent gas // Theor.
Found. Chem. Eng. – 2020. - № 54. – P. 289-296.
17 ANSYS Fluent User’s Guide, Release 2024. ANSYS Inc., Canonsburg, PA,
USA. Available at: https://www.ansys.com/.

Авторлар туралы мәліметтер
Венера Мукамеденкызы – физика-математика ғылымдарының кандидаты,
асс.профессор, әл-Фараби атындағы Қазақ Ұлттық Университеті, Алматы қ.,
Қазақстан, mukameden@inbox.ru
Төлепберген Арсен Ғалымжанұлы – 2 курс докторанты, әл-Фараби атындағы
Қазақ Ұлттық Университеті, Алматы қ., Қазақстан, arsen4236@gmail.com
Ақбердиев Бекжан Ержанұлы – 2 курс докторанты, Абай атындағы
Қазақ Ұлттық Педагогикалық Университеті, Алматы қ., Қазақстан,
bekzhan_akberdiev@mail.ru
Хольм Альтенбах – профессор, Отто фон Герике атындағы университеті,
Мадгебург қ., Германия, holm.altenbach@ovgu.de

Сведения об авторах
Венера Мукамеденкызы – кандидат физико-математических наук, асс.
профессор, Казахский Национальный Университет им. Аль-Фараби,
г. Алматы, Казахстан, mukameden@inbox.ru
Толепберген Арсен Галымжанулы – докторант 2 курса, Казахский
Национальный Университет им. Аль-Фараби, г. Алматы, Казахста,
arsen4236@gmail.com
Акбердиев Бекжан Ержанулы – докторант 2 курса, Казахский Национальный
Педагогический Университет им. Абая, г. Алматы, Казахстан,
bekzhan_akberdiev@mail.ru
Хольм Альтенбах – профессор, университет им. Отто фон Герике,
г. Мадгебург, Германия, holm.altenbach@ovgu.de

Information about authors
Venera Mukamedenkyzy – PhD in Physical and Mathematical Sciences, Associate
Professor, Al Farabi Kazakh National University, Almaty, Kazakhstan
email: mukameden@inbox.ru
Tolepbergen Arsen – 2nd year PhD student, Al Farabi Kazakh National University,
Almaty с., Kazakhsta, arsen4236@gmail.com
Akberdiev Bekzhan – 2nd year PhD student, Abai Kazakh National Pedagogical
University, Almaty с., Kazakhstan, bekzhan_akberdiev@mail.ru
Holm Altenbah – full professor, Otto-von-Guericke-Universität, Magdeburg с.,
Germany, holm.altenbach@ovgu.de