ÿþC o m b u s t i o n , E x p l o s i o n , a n d S h o c k W a v e s , V o l . 3 8 , N o . 3 , p p . 3 2 2 3 2 6 , 2 0 0 2
C a l c u l a t i o n o f D u s t L i f t i n g b y a T r a n s i e n t S h o c k W a v e
Y u . A . G o s t e e v 1 a n d A . V . F e d o r o v 2 U D C 5 3 4 . 2 2 2 . 2 ; 6 6 2 . 6 1 2 . 3 2
T r a n s l a t e d f r o m F i z i k a G o r e n i y a i V z r y v a , V o l . 3 8 , N o . 3 , p p . 8 0 8 4 , M a y J u n e , 2 0 0 2 .
O r i g i n a l a r t i c l e s u b m i t t e d M a y 1 7 , 2 0 0 1 .
A m a t h e m a t i c a l m o d e l o f l i f t i n g o f d u s t p a r t i c l e s u n d e r t h e a c t i o n o f t r a n s i e n t s h o c k
w a v e s i s p r o p o s e d , w h i c h t a k e s i n t o a c c o u n t a s i m u l t a n e o u s a c t i o n o f t h e S a f f m a n
f o r c e a n d a e r o d y n a m i c i n t e r f e r e n c e o n t h e p a r t i c l e . T h i s m o d e l p r o v i d e s a n a d e q u a t e
d e s c r i p t i o n o f t h e i n i t i a l s t a g e o f l i f t i n g o f s i n g l e p a r t i c l e s o f a d u s t y l a y e r u n d e r
t h e a c t i o n o f s h o c k w a v e s o f w e a k a n d m o d e r a t e s t r e n g t h . S a t i s f a c t o r y a g r e e m e n t o f
n u m e r i c a l a n d e x p e r i m e n t a l d a t a i s r e a c h e d . I t i s s h o w n t h a t p a r t i c l e l i f t i n g i s c a u s e d
b y t h e a c t i o n o f t h e S a f f m a n f o r c e i n t h e c a s e o f w e a k s h o c k w a v e s ( t h e s h o c k - w a v e
M a c h n u m b e r i s l e s s t h a n 1 . 5 ) a n d m e d i u m - s i z e d p a r t i c l e s ( t h e p a r t i c l e d i a m e t e r i s
l e s s t h a n 1 0 0 µ m ) a n d a e r o d y n a m i c i n t e r f e r e n c e b e t w e e n t h e p a r t i c l e a n d t h e s u r f a c e
i n t h e c a s e o f s h o c k w a v e s o f m o d e r a t e s t r e n g t h ( t h e s h o c k - w a v e M a c h n u m b e r i s
2 . 1 3 . 3 ) a n d l a r g e p a r t i c l e s ( t h e p a r t i c l e d i a m e t e r i s 2 0 0 2 5 0 µ m ) .
K e y w o r d s : t w o - p h a s e f l o w s , s h o c k w a v e s , f o r m a t i o n o f g a s m i x t u r e s .
T h e p r o b l e m o f l i f t i n g d u s t y d e p o s i t s o f c o m - a n o t h e r p h y s i c a l m o d e l o f t h e p h e n o m e n o n , w h i c h w a s
b u s t i b l e d i s p e r s e m a t e r i a l s b y t r a n s i e n t s h o c k w a v e s h a s b a s e d o n t h e a l l o w a n c e f o r t h e r e p u l s i o n f o r c e c a u s e d b y
a r o u s e d m u c h i n t e r e s t a m o n g r e s e a r c h e r s . T h i s i s n o t a e r o d y n a m i c i n t e r f e r e n c e o f t h e p a r t i c l e w i t h t h e s u r f a c e
a c c i d e n t a l , s i n c e t h e s t a g e o f t h e f o r m a t i o n o f a d u s t a i r w h e n a s h o c k w a v e o f a r a t h e r l a r g e a m p l i t u d e p a s s e s
m i x t u r e p l a y s a n i m p o r t a n t r o l e i n f u r t h e r d e v e l o p m e n t a l o n g t h e s u r f a c e . T h e r e a r e a l s o o t h e r a p p r o a c h e s f o r
o f r e a c t i o n o f t h e c l o u d o f c o m b u s t i b l e p a r t i c l e s , i n c l u d - e x p l a i n i n g l i f t i n g o f d u s t p a r t i c l e s , f o r i n s t a n c e , t h e a l -
i n g t h e d e v e l o p m e n t t o w a r d e x p l o s i o n a n d d e t o n a t i o n l o w a n c e f o r t h e r o t a t i o n a l m o t i o n o f t h e p a r t i c l e a n d
r e g i m e s o f c o m b u s t i o n . t h e a s s o c i a t e M a g n u s f o r c e ( s e e [ 4 ] ) , e t c .
A r e v i e w o f t h e e x i s t i n g p h y s i c a l c o n c e p t i o n s a n d T h e r o l e o f t h i s o r t h a t m e c h a n i s m o f p a r t i c l e l i f t -
m a t h e m a t i c a l m o d e l s t h a t d e s c r i b e t h i s p h e n o m e n o n i n g i s r e v e a l e d b y c o n s i d e r i n g q u a n t i t a t i v e r e l a t i o n s b e -
c a n b e f o u n d i n [ 1 , 2 ] . T h e c o n c l u s i o n s o f B o r i s o v e t t w e e n t h e s h o c k - w a v e s t r e n g t h , t h e g r o w t h r a t e o f t h e
a l . [ 1 ] a r e b r i e f l y d e s c r i b e d a s f o l l o w s . T h e m e c h a n i s m b o u n d a r y l a y e r , t h e p a r t i c l e s i z e , a n d o t h e r p a r a m e t e r s .
o f d u s t b l o w o u t d u e t o t h e f o r m a t i o n o f a s e r i e s o f c o m - F o r e x a m p l e , f o r t h e c a s e o f s t r o n g s h o c k w a v e s a n d
p r e s s i o n a n d r a r e f a c t i o n w a v e s i n a d u s t y l a y e r c a n n o t c o a r s e p a r t i c l e s , w h i c h d o n o t e n t e r t h e b o u n d a r y l a y e r
b e u s e d t o d e s c r i b e t h e d y n a m i c s o f m i x t u r e f o r m a t i o n . f o r a l o n g t i m e o r d o n o t e n t e r i t a t a l l , t h e m e c h a n i s m
A t t h e s a m e t i m e , t h e i n i t i a l s t a g e o f d u s t b l o w o u t c a n o f l i f t i n g c a u s e d b y a e r o d y n a m i c i n t e r f e r e n c e i s m o r e
b e d e s c r i b e d u s i n g t h e m e c h a n i s m o f p a r t i c l e m o t i o n , i m p o r t a n t . T h e r e f o r e , i n t h e p r e s e n t p a p e r , w e p r o p o s e
w h i c h t a k e s i n t o a c c o u n t t h e s h e a r f l o w o f t h e g a s i n a c o m b i n e d m a t h e m a t i c a l m o d e l f o r t h e d e s c r i p t i o n o f
t h e b o u n d a r y l a y e r . L a t e r , V o l k o v e t a l . [ 3 ] p r o p o s e d l i f t i n g o f d u s t y l a y e r p a r t i c l e s i n t h e r e g i m e o f s i n g l e
p a r t i c l e s , w h i c h s i m u l t a n e o u s l y t a k e s i n t o a c c o u n t t h e
1
a c t i o n o f t h e S a f f m a n f o r c e a n d a e r o d y n a m i c i n t e r f e r -
I n s t i t u t e o f T h e o r e t i c a l a n d A p p l i e d M e c h a n i c s ,
S i b e r i a n D i v i s i o n , R u s s i a n A c a d e m y o f S c i e n c e s ,
e n c e .
N o v o s i b i r s k 6 3 0 0 9 0 ; g o s t e e v @ i t a m . n s c . r u .
2
I n s t i t u t e o f T h e o r e t i c a l a n d A p p l i e d M e c h a n i c s ,
S i b e r i a n D i v i s i o n , R u s s i a n A c a d e m y o f S c i e n c e s ,
6 3 0 0 9 0 N o v o s i b i r s k ;
N o v o s i b i r s k S t a t e U n i v e r s i t y o f A r c h i t e c t u r e
a n d C o n s t r u c t i o n , N o v o s i b i r s k 6 3 0 0 0 8 ;
f e d o r o v @ n g a s u . n s k . r u .
3 2 2 0 0 1 0 - 5 0 8 2 / 0 2 / 3 8 0 3 - 0 3 2 2 $ 2 7 . 0 0 © 2 0 0 2 P l e n u m P u b l i s h i n g C o r p o r a t i o n
C a l c u l a t i o n o f D u s t L i f t i n g b y a T r a n s i e n t S h o c k W a v e 3 2 3
F O R M U L A T I O N O F T H E P R O B L E M t h e p r e s s u r e a t r e s t a n d t h e r a t i o o f s p e c i f i c h e a t s , C p i s
A N D G O V E R N I N G E Q U A T I O N S t h e p r e s s u r e c o e f f i c i e n t i n a e r o d y n a m i c i n t e r f e r e n c e o f
t h e p a r t i c l e a n d t h e w a l l , a n d M m a x ( M 0 ) i s t h e m a x i -
W e c o n s i d e r a s o l i d p a r t i c l e o f s p h e r i c a l s h a p e ,
m u m r e l a t i v e M a c h n u m b e r o f t h e g a s f l o w a r i s i n g a s t h e
w h i c h r e s t s o n a f l a t s u r f a c e . I f a n o r m a l s h o c k w a v e a r -
s h o c k w a v e p a s s e s n e a r t h e p a r t i c l e [ 3 ] . F o r M m a x > 1 ,
r i v e s o n t h e p l a t e , i t s s l i p p i n g a l o n g t h e s u r f a c e l e a d s t o
t h i s q u a n t i t y d e t e r m i n e s t h e p o s s i b i l i t y o f t h e f o r m a t i o n
t h e f o r m a t i o n o f t h e b o u n d a r y l a y e r b e h i n d t h e s h o c k -
o f a d e t a c h e d s h o c k w a v e n e a r t h e p a r t i c l e :
w a v e f r o n t . T h e p a r t i c l e m a y s t a r t t o m o v e a l o n g t h e
M m a x = 2 ( M 2 - 1 ) { [ M 2 ( ³ - 1 ) + 2 ]
p l a t e i n t h e g a s f l o w b e h i n d t h e t r a n s i e n t s h o c k w a v e [ 4 ] . 0 0
I n t h e p r e s e n t s t u d y , h o w e v e r , w e i g n o r e p a r t i c l e s l i p -
p i n g a n d r o l l i n g , a s s u m i n g , f o r i n s t a n c e , t h a t t h e p a r - × [ 2 ³M 2 - ( ³ - 1 ) ] } - 1 / 2 .
0
t i c l e i s l o c a t e d i n a s h a l l o w c a v i t y . W e a s s u m e t h a t
T h e a c t i o n o f t h e f o r c e f i n t i s l i m i t e d b y t h e d i s t a n c e
t h e m a i n m e c h a n i s m o f p a r t i c l e l i f t i n g i s t h e a c t i o n o f
¯ i n t e x p r e s s e d i n p a r t i c l e d i a m e t e r s . W e a s s u m e t h a t t h e
l
t h e S a f f m a n f o r c e f S [ 5 ] a n d t h e f o r c e o f a e r o d y n a m i c
p a r t i c l e / s u r f a c e i n t e r a c t i o n c o n s i s t s t h e f o l l o w i n g m e c h -
i n t e r f e r e n c e f i n t [ 3 ] , w i t h c o u n t e r a c t i n g f o r c e s o f a e r o -
a n i s m s :
d y n a m i c d r a g [ f a = ( f a , x , f a , y ) ] a n d g r a v i t y ( f g r ) . W e
( a ) t h e a c t i o n o n t h e p a r t i c l e o f t h e s h o c k w a v e
a t t a c h t h e o r i g i n o f t h e c o o r d i n a t e s y s t e m ( x , y ) , w h e r e
c a u s e d b y r e f l e c t i o n o f t h e a t t a c h e d s h o c k w a v e f r o m
y i s t h e v e r t i c a l c o o r d i n a t e , t o t h e i n i t i a l p o s i t i o n o f t h e
t h e p l a n e ;
p a r t i c l e a n d w r i t e t h e e q u a t i o n s o f m o t i o n
( b ) t h e l i f t f o r c e a r i s i n g d u e t o t h e p r e s s u r e d i f f e r -
d u p d v p
e n c e o n t h e u p p e r a n d l o w e r p a r t i c l e s u r f a c e s b e c a u s e
m p = f x , m p = f y ,
d t d t
o f f l o w d e c e l e r a t i o n i n t h e r e g i o n o f t h e l o w e r p a r t o f
( 1 )
t h e p a r t i c l e [ 6 ] .
d x p d y p
= u p , = v p .
F o r t h e d r a g c o e f f i c i e n t , w e u s e t h e d e p e n d e n c e [ 7 ]
d t d t
H e r e x p a n d y p a r e t h e c o o r d i n a t e s , u p a n d v p a r e t h e
2 4 4 . 4
c D = + + 0 . 4 2 .
l o n g i t u d i n a l a n d v e r t i c a l c o m p o n e n t s o f v e l o c i t y , d p ,
R e p p
R e 0 . 5
m p = Áp Àd 3 / 6 , a n d Áp a r e t h e p a r t i c l e d i a m e t e r , m a s s ,
p
T h e i n i t i a l c o n d i t i o n s f o r s y s t e m ( 1 ) h a v e t h e f o l -
a n d d e n s i t y , r e s p e c t i v e l y . T h e f o r c e a c t i n g o n t h e p a r -
l o w i n g f o r m :
t i c l e h a s t h e f o l l o w i n g c o m p o n e n t s :
Àd 2
Ág ( u g - u p ) w p , g
p t = 0 : x p = 0 , y p = r p = d p / 2 ,
f x = f a , x = c D ,
( 3 )
4 2
u p = 0 , v p = 0 .
f y = f g r + f a , y + f S + f i n t ,
T h u s , t h e p a r t i c l e m o t i o n i n a k n o w n f l o w f i e l d o f
Àd 2
Ág v p w p , g
p
t h e g a s b e h i n d t h e t r a n s i e n t s h o c k w a v e w i t h t h e p a r a m -
f g r = - m p g , f a , y = - c D , ( 2 )
4 2
e t e r s u g ( x , y , t ) a n d Ág ( x , y , t ) i s d e s c r i b e d b y a s y s t e m
o f o r d i n a r y d i f f e r e n t i a l e q u a t i o n s ( 1 ) s u p p l e m e n t e d b y
d 2
"u g 1 / 2
p
f S = c S Ág ( u g - u p ) ½ ( x p , y p ) ,
e x p r e s s i o n s ( 2 ) f o r t h e f o r c e s a c t i n g o n t h e p a r t i c l e a n d
4 "y
t h e i n i t i a l c o n d i t i o n s ( 3 ) .
ñø
0 , M m a x ( M 0 ) 1 ;
ôø
ôø
ôø
³
ôø
ôø
Àd 2 p 0 M 2 C p , M m a x ( M 0 ) > 1 ,
òø
p 0
2
V E R I F I C A T I O N O F T H E M O D E L
f i n t = ¯ i n t ;
y p / d p l
ôø
ôø
ôø
0 , M m a x ( M 0 ) > 1 ,
ôø
ôø
T h e m a t h e m a t i c a l m o d e l w a s v e r i f i e d b y n u m e r i c a l
óø
¯ i n t .
y p / d p > l
c a l c u l a t i o n s o f p a r t i c l e d y n a m i c s o n t h e b a s i s o f s y s t e m
H e r e u g = u g ( x p , y p , t ) a n d Ág = Ág ( x p , y p , t ) a r e t h e ( 1 ) ( 3 ) .
l o n g i t u d i n a l c o m p o n e n t o f v e l o c i t y a n d g a s d e n s i t y a t W e a k S h o c k W a v e . F i r s t , w e c o m p a r e t h e c a l -
2
t h e p o i n t o f p a r t i c l e l o c a t i o n , w p , g = [ ( u 2 - u 2 ) + v p ] 1 / 2 c u l a t i o n s w i t h t h e e x p e r i m e n t a l d a t a o f [ 8 ] i n t e r m s
g p
i s t h e p a r t i c l e v e l o c i t y r e l a t i v e t o t h e g a s , ½ i s t h e o f t h e d e p e n d e n c e o f t h e h e i g h t o f s o o t - p a r t i c l e l i f t -
k i n e m a t i c v i s c o s i t y o f t h e g a s , c D = c D ( R e p ) a n d c S i n g ( d p 4 0 µ m a n d Áp = 2 9 0 0 k g / m 3 ) o n t h e d i s -
a r e t h e c o e f f i c i e n t s o f t h e d r a g a n d S a f f m a n f o r c e s , t a n c e f r o m t h e p a r t i c l e t o t h e f r o n t o f t h e t r a n s i e n t
R e p = w p , g d p / ½ i s t h e R e y n o l d s n u m b e r o f t h e p a r - w e a k ( M 0 H" 1 . 2 1 . 4 ) s h o c k w a v e . S i n c e M e r z k i r c h a n d
t i c l e , M 0 i s t h e s h o c k - w a v e M a c h n u m b e r , p 0 a n d ³ a r e B r a c h t [ 8 ] c o n s i d e r e d t h e i n i t i a l p e r i o d o f d u s t l i f t i n g
3 2 4 G o s t e e v a n d F e d o r o v
B e c a u s e o f t h e s i g n i f i c a n t u n c e r t a i n t y i n d e f i n i n g
t h e c o e f f i c i e n t o f t h e S a f f m a n f o r c e c S i n t h e n e a r - w a l l
f l o w ( s e e , e . g . , [ 1 0 ] ) , t h e v a l u e o f t h i s p a r a m e t e r w a s
c h o s e n f r o m t h e c o n d i t i o n o f t h e b e s t a g r e e m e n t b e -
t w e e n n u m e r i c a l a n d e x p e r i m e n t a l d a t a f o r a p a r t i c l e
o f s i z e d p = 3 0 µ m . F i g u r e 1 a s h o w s a c o m p a r i s o n
o f n u m e r i c a l a n d e x p e r i m e n t a l d a t a f o r t w o v a r i a n t s o f
t h e f l o w : 1 ) u S W = 4 3 4 m / s e c a n d u " = 1 3 3 m / s e c ;
2 ) u S W = 3 8 5 m / s e c a n d u " = 6 4 m / s e c . F o r t h e
f i r s t v a r i a n t , n u m e r i c a l r e s u l t s ( c u r v e 3 ) f o r t h e v a l u e
c S = 3 2 . 2 r e c o m m e n d e d b y M e r z k i r c h a n d B r a c h t [ 8 ]
a r e a l s o p l o t t e d . S a t i s f a c t o r y a g r e e m e n t o f n u m e r i c a l
a n d e x p e r i m e n t a l r e s u l t s i s r e a c h e d f o r c S = 1 6 0 . W i t h
i n c r e a s i n g s h o c k - w a v e s t r e n g t h a n d d i s t a n c e f r o m t h e
p a r t i c l e t o t h e w a v e f r o n t , t h e a c c u r a c y o f p r e d i c t i n g
t h e l i f t i n g h e i g h t b e c o m e s w o r s e .
R e a l c o n d i t i o n s i m p l y p o l y d i s p e r s i t y o f t h e p a r t i -
c l e s o f t h e l o o s e l a y e r a l o n g w h i c h t h e i n i t i a t i n g s h o c k
w a v e m o v e s . T h e r e f o r e , i t i s o f i n t e r e s t t o s t u d y t h e
i n f l u e n c e o f t h e p a r t i c l e s i z e o n t h e d y n a m i c s o f i t s l i f t -
i n g ( s e e F i g . 1 b , w h i c h s h o w s t h e n u m e r i c a l r e s u l t s f o r
c S = 3 2 . 2 ) . I t i s s e e n f r o m F i g . 1 b t h a t a n i n c r e a s e i n
p a r t i c l e d i a m e t e r l e a d s t o a d e c r e a s e i n t h e l i f t i n g h e i g h t
i n t h e t i m e i n t e r v a l w h e r e t h e s h o c k w a v e h a s n o t m o v e d
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