Numerical simulation of oscillatory processes in a model channel with two partitions filled with hydrogen

Margarita A. Seregina, Vladimir Ya. Modorskii, Ivan E. Cherepanov, Anna V. Babushkina

Author details

Margarita A. Seregina
Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation
Vladimir Ya. Modorskii
Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation
Ivan E. Cherepanov
Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation
Anna V. Babushkina
Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation

https://doi.org/10.15593/perm.mech/2024.6.05

This article discusses the propagation of a sound wave in a channel with a rectangular cross-section with two fiberglass partitions. The time dependences of pressure and displacements for points located in different parts of the model channel are obtained. Hydrogen and air are considered as the working media. An algorithm has been developed for solving the boundary value problem of the numerical simulation of oscillatory processes in the model's channel with a rectangular cross-section, taking into account the bidirectional interaction (2-way Fluid-Structure Interaction or 2FSI reduction) between deformable partitions and the flow of the working environment, using the ANSYS engineering analysis system. A mathematical model corresponding to the boundary value problem has been developed. Initial and boundary conditions are set and control points along the length of the model channel and on fiberglass partitions are selected. The main results of the study are presented in the form of dependences of the amplitude of displacement of the partition and pressure in the working media (air or hydrogen) on time at characteristic points of the channel. It was found that transients in air and hydrogen differ in amplitude and frequency of oscillation; the dependence of the influence of the number of partitions on fluctuations in the gaseous medium was found. The considered system can become a model for working out the conditions for the occurrence of self-oscillations for different working environments. Predicting the behavior of the pipeline structure, in a model representation, under the influence of different gases during transportation will allow us to assess the influence of the transported medium on the acoustic characteristics of the system. The study is highly important for finding areas of noise reduction during the transportation of any gas mixtures through pipelines.

Keywords

acoustichydrogentransportation of hydrogen2FSIgas channelwave propagationnumerical simulationinteraction of gas with an obstaclesound absorptionresonance

Численное моделирование колебательных процессов в модельном канале с двумя перегородками, заполненном водородом

Рассматривается распространение звуковой волны в канале прямоугольного сечения с двумя перегородками из стеклопластика. Получены временные зависимости давления и перемещений для точек, расположенных в разных частях модельного канала. В качестве рабочего тела среды рассматриваются водород и воздух. Разработан алгоритм решения краевой задачи численного моделирования колебательных процессов в модельном канале прямоугольного сечения, с учетом двунаправленного взаимодействия (2-way Fluid-Structure Interaction или при сокращении 2FSI) между деформируемыми перегородками и потоком рабочей среды, с применением системы инженерного анализа ANSYS. Разработана математическая модель, соответствующая краевой задаче. Заданы начальные и граничные условия и выбраны контрольные точки по длине модельного канала и на стеклопластиковых перегородках. Представлены основные результаты исследования в виде зависимостей амплитуды перемещения перегородки и давления в рабочей среде (воздух или водород) от времени в характерных точках канала. Обнаружено, что переходные процессы на воздухе и водороде отличаются амплитудой и частотой колебания; обнаружена зависимость влияния числа перегородок на колебания в газовой среде. Рассмотренная система может стать моделью для проработки условий возникновения автоколебаний для разных рабочих сред. Прогнозирование поведения конструкции трубопровода, в модельном представлении, при воздействиях разных газов в процессе транспортировки позволит оценить влияние транспортируемой среды на акустические характеристики системы. Исследование данного вопроса крайне важно для поиска областей снижения шума при транспортировке любых газовых смесей по трубопроводам.

Ключевые слова

акустикатранспортировка водорода2FSIгазоходраспространение волнычисленное моделированиевзаимодействие газа с преградойзвукопоглощениерезонанс

Bibliography

1.Yakubson K. I. Prospects for the production and use of hydrogen as one of the directions for the development of a low-carbon economy in the Russian Federation (review). Journal of Applied Chemistry, 2020, vol. 93, no. 12, pp. 1675-1695. Scholar
2.Kolbantseva D. et al. Analysis of technologies for hydrogen consumption, transition and storage at operating thermal power plants. Energies, 2022, vol. 15, №. 10, p. 3671. Scholar
3.Marin G. E. et al. Simulation of the operation of a gas turbine installation of a thermal power plant with a hydrogen fuel production system. International Journal of Hydrogen Energy, 2023, vol. 48, no. 12, pp. 4543-4550. Scholar
4.Bayramov A. N. Comprehensive assessment of system efficiency and competitiveness of nuclear power plants in combination with hydrogen complex. International Journal of Hydrogen Energy, 2023, vol. 48, iss. 70, pp. 27068-27078. Scholar
5.Zvereva E. R. et al. Development of "green" hydrogen energy in the European part of the Russian Federation. Economics of Industry / Russian Journal of Industrial Economics, 2022, vol. 15, no. 2, pp. 167-176. Scholar
6.Ivanova E. E. et al. Analiz optimal'nykh sposobov transportirovki vodoroda [Analysis of optimum methods for transporting hydrogen]. Science and technology: Prospects for development and application, 2023, pp. 28-45. Scholar
7.Golub V.V., Ivanov K.V. Experimental study of diffusion seuton-ignition of hydrogen in a channel. Chemical Physics, 2009, vol. 28, no. 5, pp. 19-26. Scholar
8.Volodin V.V., Golub V.V., Elyanov A.E. Influence of acoustic vibrations on the speed of a cellular hydrogen-air flame in a horizontal channel. Technical Physics Letters, 2022, vol. 48, no. 9, p. 41. Scholar
9.Karasevich V., Valery B., Mingaleeva R. Perspektivy ispol'zovaniy prirodnogo gaza dly proizvodstva i eksporta rossiiskogo vodoroda [Prospects for the use of natural gas for production and export of russian hydrogen]. Energy Policy, 2023, no. 6 (184), pp. 90-99. Scholar
10.Karasevich V. A., Rudenko S. Yu., Kortikov A. V. Tekushchee sostojniye i potential ispol'zovaniyi prirodnogo gaza dly proizvodstva i eksporta vodorodosoderzhashchei produktcii [Current state and potential of use of natural gas for production and export of hydrogen-containing products]. Issues of economics and management of the oil and gas complex, 2022, pp. 160-165. Scholar
11.Ismagilova V. S., Chekushina T. V. Transportation of pipeline and liquefied natural gas: comparative analysis of advantages and disadvantages. Earth Sciences and Subsoil Use, 2023, vol. 46, no. 1 (82). pp. 61-71. Scholar
12.Darsaliya N. M. Farukhshina R. R., Saddik Z. E. Transportation of hydrogen by main gas pipelines as a methane-hydrogen mixture. Liquid and Gaseous Energy Resources, 2023, vol. 3, iss. 1, 6 p. Scholar
13.Anoshkin A. N. et al. Raschetno-eksperimental'nye issledovaniy rezonansnykh mnogosloinykh zvukopogloshchaishchikh konstruktcii [Calculation and experimental studies of resonant multilayer sound-absorbing structures]. Bulletin of the Perm National Research Polytechnic University. Mechanics, 2015, no. 1, pp. 5-20. Scholar
14.Bielak G. W., Premo J. W., Hersh A. S. Advanced turbofan duct liner concepts, 1999, no. NASA/CR-1999-209002. Scholar
15.Zakharov A.G. et al. Akusticheskie rezonansnye kharakteristiki dvukh i trekhsloinykh sotovykh zvukopogloshchaishchikh panelei [Acoustic resonance characteristics of two- and three-layer cellular sound-absorbing panels]. Bulletin of the Perm National Research Polytechnic University. Aerospace engineering, 2016, no. 3 (46), pp. 144-159. Scholar
16.Khaletskiy Y., Pochkin Y., Igolkin A. Acoustic response of a fan duct liner including porous material. 20th International Congress on Sound and Vibration 2013, ICsV 2013, 2013, pp. 341-348. Scholar
17.Karstadt S., Matyschok B., Pelz P. F. Sound deadening on fans. Turbo Expo: Power for Land, Sea, and Air, 2011, vol. 54679, pp. 961-971. Scholar
18.Peg F. Sound absorption of a porous material with a perforated facing at high sound pressure levels. Journal of Sound and Vibration, 2018, vol. 425, pp. 1-20. Scholar
19.Jones M., Watson W., Parrott T. Benchmark data for evaluation of aeroacoustic propagation codes with grazing flow. 11th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference, 2005, p. 2853. Scholar
20.Ch. V. Surya Narayana Reddi, Chandramouli Padmanabhan. Simplified impedance models for Helmholtz resonator with intrusions. ICSV20. Bangkok. Thailand, July 2013, pp. 158-161. Scholar
21.Farshidianfar M. H., Farshidianfar A. Mode count and modal density of acoustical cavities: bars, plates and cylindrical shells. ICSV20, 2013, pp. 172-175. Scholar
22.Hynninen A., Abom M. Determination of in-duct sound power beyond the plane wave range using wall-mounted microphones. Applied Acoustics, 2015, vol. 99, pp. 24-30. Scholar
23.Gao K. et al. Localization of broadband acoustical sources in the cylindrical duct via measurements outside the duct end. Journal of Sound and Vibration, 2023, p. 117749. Scholar
24.Etchebarne B. et al. Modal deconvolution of baffled duct internal acoustics from external measurements and experimental evaluation. ICSV29-29th International Congress on Sound and Vibration, 2023. Scholar
25.Laly Z., Feng X., Atalla N. An experimental transfer matrix method to characterize acoustic materials at high sound pressure levels in airflow environment. Applied Acoustics, 2023, vol. 206, p. 109311. Scholar
26.Shuldeshov E. M., Kraev I. D., Obraztsova E. P. Materialy dlia zvukopogloshchaishchikh konstruktsii aviatsionnykh dvigatelei (obzor) [Materials for sound-absorbing structures of aircraft engines (review)]. Proceedings of VIAM, 2021, no. 7 (101), pp. 59-72. Scholar
27.Antipov A. A. et al. Chislennoe modelirovanie zadachi ustoichivosti perforirovannykh obolochek [Numerical modeling of the problem of stability of perforated shells]. Bulletin of the Perm National Research Polytechnic University. Mechanics, 2015, no. 1, pp. 21-30. Scholar
28.Filippenko G.V., Zinovieva T.V. Modal'nyi analiz truby, povrezhdennoi vodorodom, kak neodnorodnoi po tolshchine obolochki [Modal analysis of a pipe damaged by hydrogen as a heterogeneous shell thickness]. Bulletin of the Perm National Research Polytechnic University. Mechanics, 2022, no. 3, pp. 170-182. Scholar
29.Hilko A.I. et al. Issledovanie koherentnosti akusticheskikh polei vysokochastotnykh shumovykh istochnikov v sluchaino-neodnorodnom okeane [Investigation of the coherence of acoustic fields of high-frequency noise sources in a randomly inhomogeneous ocean]. Acoustic, 2018, vol. 64, no. 2, pp. 217-227. Scholar
30.Modorsky V.Ya. et al. Chislennoe modelirovanie stupeni tsentrobеzhnogo kompressora gazoperekachivaiushchego agregata v 2FSI-postanovke [Numerical modeling of the centrifugal compressor stage of a gas pumping unit in 2FSI- production]. Bulletin of PNIPU. Aerospace technology, 2019, no. 56, pp. 83-91. Scholar
31.Kalyulin S. L. et al. Chislennoe modelirovanie gazodinamicheskikh i prochnostnykh kharakteristik ventiliatora dlia eksperimental'noi ustanovki po issledovaniiu razrusheniia l'da na vrashchaiushchihsia rabochih lopatkah [Numerical simulation of gas dynamic and strength characteristics of a fan for an experimental installation for studying ice destruction on rotating working blades]. Bulletin of the Perm National Research Polytechnic University. Mechanics, 2023, no. 1, pp. 134-141. Scholar
32.Modorsky V. Ya. et al. Chislennoe modelirovanie protsessov vzaimovliiania volny vozmushcheniia v vodorode i peregorodki v model'nom kanale [Numerical simulation of the processes of interaction between a perturbation wave in hydrogen and a partition in a model channel]. Bulletin of the Perm National Research Polytechnic University. Mechanics, 2023, no. 6, pp. 68-77. Scholar
33.Seregina M. A. et al. Chislennoe modelirovanie protsessov vzaimovliiania volny gaza i deformirovannoi pregrady v model'nom kanale aviatsionnogo dvigatelia [Numerical simulation of the processes of interaction of a gas wave and a deformed obstacle in a model channel of an aircraft engine]. Bulletin of the Perm National Research Polytechnic University. Aerospace engineering, 2022, no. 69, pp. 92-99. Scholar

1.Якубсон, К.И. Перспективы производства и использования водорода как одно из направлений развития низкоуглеродной экономики в Российской Федерации (обзор) / К.И. Якубсон // Журнал прикладной химии. – 2020. – Т. 93, № 12. – С. 1675–1695. Scholar
2.Analysis of technologies for hydrogen consumption, transition and storage at operating thermal power plants / D. Kolbantseva [et al.] // Energies. – 2022. – Vol. 15, no. 10. – 3671 p. Scholar
3.Simulation of the operation of a gas turbine installation of a thermal power plant with a hydrogen fuel production system / G.E. Marin [et al.] // International Journal of Hydrogen Energy. – 2023. – Vol. 48, no. 12. – P. 4543–4550. Scholar
4.Bayramov, A.N. Comprehensive assessment of system efficiency and competitiveness of nuclear power plants in combination with hydrogen complex / A.N. Bayramov // International Journal of Hydrogen Energy. – 2023. – Vol. 48, iss. 70. – P. 27068–27078. Scholar
5.Развитие «зеленой» водородной энергетики в европейской части Российской Федерации / Э.Р. Зверева [и др.] // Экономика промышленности / Russian Journal of Industrial Economics. – 2022. – Т. 15, № 2. – С. 167–176. Scholar
6.Анализ оптимальных способов транспортировки водорода / Е.Э. Иванова [и др.] // Наука и технологии: Перспективы развития и применения. – 2023. – С. 28–45. Scholar
7.Голуб, В.В. Экспериментальное исследование диффузионного самовоспламенения водорода в канале / В.В. Голуб, К.В. Иванов // Химическая физика. – 2009. – Т. 28, № 5. – С. 19–26. Scholar
8.Володин, В.В. Влияние акустических колебаний на скорость ячеистого водородно-воздушного пламени в горизонтальном канале / В.В. Володин, В.В. Голуб, А.Е. Ельянов // Письма в ЖТФ. – 2022. – Т. 48, № 9. – С. 41. Scholar
9.Карасевич, В. Перспективы использования природного газа для производства и экспорта российского водорода / В. Карасевич, Б. Валерий, Р. Мингалеева // Энергетическая политика. – 2023. – № 6 (184). – С. 90–99. Scholar
10.Карасевич, В.А. Текущее состояние и потенциал использования природного газа для производства и экспорта водородосодержащей продукции / В.А. Карасевич, С.Ю. Руденко, А.В. Кортиков // Вопросы экономики и управления нефтегазовым комплексом. – 2022. – С. 160–165. Scholar
11.Исмагилова, В.С. Транспортировка трубопроводного и сжиженного природного газа: сравнительный анализ достоинств и недостатков / В.С. Исмагилова, Т.В. Чекушина // Науки о Земле и недропользование. – 2023. – Т. 46, № 1 (82). – С. 61–71. Scholar
12.Darsaliya, N.M. Transportation of hydrogen by main gas pipelines as a methane-hydrogen mixture / N.M. Darsaliya, R.R. Farukhshina, Z.E. Saddik // Liquid and Gaseous Energy Resources. – 2023. – Vol. 3, iss. 1. – 6 p. Scholar
13.Расчетно-экспериментальные исследования резонансных многослойных звукопоглощающих конструкций / А.Н. Аношкин [и др.] // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2015. – № 1. – С. 5–20. Scholar
14.Bielak, G.W. Advanced turbofan duct liner concepts / G.W. Bielak, J.W. Premo, A.S. Hersh. – 1999. – № NASA/CR-1999-209002. Scholar
15.Акустические резонансные характеристики двух и трехслойных сотовых звукопоглощающих панелей / А.Г. Захаров [и др.] // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. – 2016. – № 3 (46). – С. 144–159. Scholar
16.Khaletskiy, Y. Acoustic response of a fan duct liner including porous material [Электронный документ] / Y. Khaletskiy, Y. Pochkin, A. Igolkin // 20th International Congress on Sound and Vibration 2013, ICSV 2013. – 2013. – P. 341–348. Scholar
17.Karstadt, S. Sound deadening on fans / S. Karstadt, B. Matyschok, P.F. Pelz // Turbo Expo: Power for Land, Sea, and Air. – 2011. – Vol. 54679. – P. 961–971. Scholar
18.Peng, F. Sound absorption of a porous material with a perforated facing at high sound pressure levels / F. Peng // Journal of Sound and Vibration. – 2018. – Vol. 425. – P. 1–20. Scholar
19.Jones, M. Benchmark data for evaluation of aeroacoustic propagation codes with grazing flow / M. Jones, W. Watson, T. Parrott // 11th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference. – 2005. – P. 2853. Scholar
20.Ch. V., Surya Narayana Reddi. Simplified impedance models for Helmholtz resonator with intrusions / Ch. V., Surya Narayana Reddi, Chandramouli Padmanabhan // ICSV20. – Bangkok, Thailand, July 2013. – P. 158–161. Scholar
21.Farshidianfar, M.H. Mode count and modaldensity of acoustical cavities: bars, plates and cylindrical shells / M.H. Farshidianfar, A. Farshidianfar // ICSV20. – 2013. – P. 172–175. Scholar
22.Hynninen, A. Determination of in-duct sound power beyond the plane wave range using wall-mounted microphones / A. Hynninen, M. Åbom // Applied Acoustics. – 2015. – Vol. 99. – P. 24–30. Scholar
23.Localization of broadband acoustical sources in the cylindrical duct via measurements outside the duct end / K. Gao [et al.] // Journal of Sound and Vibration. – 2023. – P. 117749. Scholar
24.Modal deconvolution of baffled duct internal acoustics from external measurements and experimental evaluation / B. Etchebarne [et al.] // ICSV29-29th International Congress on Sound and Vibration. – 2023. Scholar
25.Laly, Z. An experimental transfer matrix method to characterize acoustic materials at high sound pressure levels in airflow environment / Z. Laly, X. Feng, N. Atalla // Applied Acoustics. – 2023. – Vol. 206. – P. 109311. Scholar
26.Шульдшецов, Е.М. Материалы для звукопоглощающих конструкций авиационных двигателей (обзор) / Е.М. Шульдшецов, И.Д. Краев, Е.П. Образцова // Труды ВИАМ. – 2021. – № 7 (101). – С. 59–72. Scholar
27.Численное моделирование задачи устойчивости перфорированных оболочек / А.А. Антипов [и др.] // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2015. – №1. – С. 21–30. Scholar
28.Филиппенко, Г.В. Модальный анализ трубы, поврежденной водородом, как неоднородной по толщине оболочки / Г.В. Филиппенко, Т.В. Зиновьева // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2022. – № 3. – С. 170–182. Scholar
29.Хилко, А.И. Исследование когерентности акустических полей высокочастотных шумовых источников в случайно-неоднородном океане / А.И. Хилко [и др.] // Акустический журнал. – 2018. – Т. 64, № 2. – С. 217–227. Scholar
30.Модорский, В.Я. Численное моделирование ступени центробежного компрессора газоперекачивающего агрегата в 2FSI-постановке / В.Я. Модорский [и др.] // Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника. – 2019. – № 56. – С. 83–91. Scholar
31.Калюлин, С.Л. Численное моделирование газодинамических и прочностных характеристик вентилятора для экспериментальной установки по исследованию разрушения льда на вращающихся рабочих лопатках / С.Л. Калюлин [и др.] // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2023. – № 1. – С. 134–141. Scholar
32.Модорский, В.Я. Численное моделирование процессов взаимовлияния волны возмущения в водороде и перегородки в модельном канале / В.Я. Модорский [и др.] // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2023. – № 6. – С. 68–77. Scholar
33.Серегина, М.А. Численное моделирование процессов взаимовлияния волны газа и деформированной преграды в модельном канале авиационного двигателя / М.А. Серегина [и др.] // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. – 2022. – № 69. – С. 92–99. Scholar

Article information

Published: 26 December 2024
Issue date: 26 December 2024
Issue: No. 6 (2024)