ANALYSIS OF THE PROPAGATION OF OSCILLATORY PROCESSES IN A CHANNEL WITH A PERFORATED BARRIER

M.A. Seregina, V.Ya. Modorskii, I.E. Cherepanov, A.V. Babushkina

Author details

M.A. Seregina
Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation
V.Ya. Modorskii
Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation
I.E. Cherepanov
Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation
A.V. Babushkina
Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation

https://doi.org/10.15593/perm.mech/2025.6.08

The relevance of the research topic is due to the need to create structures with low noise levels. Understanding the oscillatory processes in channels can lead to improved quality of designed systems, which in turn will increase their competitiveness. Channels with perforated partitions are an element of a large number of engineering systems. The use of such structures filled with gases, such as hydrogen, is of interest in terms of transporting new energy sources and studying the behavior of gas when it interacts with a deformable barrier. The purpose of this research is to analyze the oscillatory processes that occur when gas interacts with a perforated structure.The research presented in this article is conducted using the ANSYS engineering analysis system, which allows for the modeling of these processes in 2FSI. The dependencies of pressure and displacement on time at various points of a model installation filled with hydrogen in the presence of obstacles, including those with perforations, are calculated. This article discusses the interaction of a gas-dynamic flow and a channel with one, two, or three deformable partitions on the characteristics of gas and structural vibrations. Three cases are considered: the partition closest to the source of vibrations does not have a hole, the hole in the partition has a diameter of 20 mm, and the hole in the partition has a diameter of 14 mm. The second and third partitions do not have a hole. An analysis of oscillatory processes in a model channel with perforated (or solid) partitions filled with hydrogen showed a significant effect of perforation on the system dynamics for different conditions of partition combination. The results and conclusions obtained during this analysis can serve as a basis for further experiments and developments in the fields of gas dynamics and aeroelasticity, as well as for the design of low-noise and vibration-resistant elements for hydrogen energy and acoustic systems.

Keywords

acousticshydrogen transportationenergy carriernoisevibrationsengineering analysis system2FSIgas channeloscillatory processeswave propagationnumerical modelinginteraction of gas with barriersound absorptionresonance.

АНАЛИЗ РАСПРОСТРАНЕНИЯ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ В КАНАЛЕ С ПЕРФОРИРОВАННОЙ ПРЕГРАДОЙ

Актуальность темы исследования обусловлена необходимостью создания конструкций с низким уровнем шума. Понимание колебательных процессов в каналах может привести к повышению качества проектируемых систем, что, в свою очередь, повысит их конкурентоспособность. Каналы с перфорированными перегородками являются элементом большого числа инженерных систем. Использование таких конструкций, заполненных газами, например, водородом, представляет интерес с точки зрения транспортировки новых источников энергии и исследования поведения газа при его взаимодействии с деформируемой преградой. Цель исследовательской работы заключается в анализе колебательных процессов при взаимодействии газа и конструкции с перфорированной преградой. Исследования, приведенные в данной работе, осуществляются с использованием системы инженерного анализа ANSYS, позволяющей моделировать рассматриваемые процессы в 2FSI постановке. Рассчитаны зависимости давления и перемещений во времени в различных точках модельной установки, заполненной водородом при наличии препятствий, в том числе с перфорацией. В данной статье рассмотрено взаимовлияние газодинамического потока и канала с одной, двумя или тремя деформируемыми перегородками на характеристики колебаний газа и конструкции. Рассмотрены три случая: ближайшая к источнику колебаний перегородка не имеет отверстия, отверстие в перегородке имеет диаметр 20 мм и диаметр отверстия в перегородке составляет 14 мм. Вторая и третья перегородка (при наличии) – без отверстия. Анализ колебательных процессов в модельном канале с перфорированными (или глухими) перегородками, заполненном водородом, показал значительное влияние перфорации перегородок на динамику системы для разных условий сочетания перегородок. Результаты и выводы, полученные в ходе данного анализа, могут лежать в основе дальнейших экспериментов и разработок в области газодинамики и аэроупругости, а также при проектировании малошумных и виброустойчивых элементов для водородной энергетики и акустических систем.

Ключевые слова

акустикатранспортировка водородаэнергоносительшумвибрациисистема инженерного анализа2FSIгазоходколебательные процессыраспространение волнычисленное моделированиевзаимодействие газа с преградойзвукопоглощениерезонанс

Bibliography

1.Yakubson K. I. Perspektivy proizvodstva i ispol'zovaniia vodoroda kak odno iz napravlenii razvitiia niz-kouglerodnoi ekonomiki v Rossiiškoi Federatsii (obzor) [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, T. 93, No. 12, pp. 1675-1695. Scholar
2.Karasevich V. A., Rudenko S. Yu., Kortikov A. V. Tekushchee sostoinyie i potential ispol'zovaniiy prirodnogo gaza dly proizvodstva i eksporta vodorodosoderzhashchei produktii [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
3.Ismagilova V. S., Chekushina T. V. Transportirovka truboprovodnogo i shtizhennogo prirodnogo gaza: sravnitel'nyi analiz dostoinstv i nedostatkov [Transportation of pipeline and liquefied natural gas: comparative analysis of advantages and disadvantages] // Earth Sciences and Subsoil Use, 2023, T. 46, No. 1 (82), pp. 61-71. Scholar
4.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, Issue 1, 6 p. Scholar
5.Dusalimov M. E., Valiullina S. Ya., Gundorova I. G., Alekseev V. A. Osnovnye problemy transporta i khraneniiia vodoroda [The main problems of hydrogen transportation and storage] // Neftegaz.RU, 2022, № 9, pp. 52-57. Scholar
6.Shuldeshov E. M., Kraev I. D., Obraztsova E. P. Materialy dlia zvukopogloshchaiushchikh konstruktsii aviatsionnykh dvigatelei (obzor) [Materials for sound-absorbing structures of aircraft engines (review)] // Proceedings of VIAM, 2021, No. 7 (101), pp. 59-72. Scholar
7.Anoshkin A. N. et al. Raschetno-eksperimental'nye issledovaniy rezonansnykh mnogosloinykh zvukopogloshchaiushchikh konstrukttcii [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
8.Zakharov A.G., Anoshkin A.N., Pankov A.A., Pisarev P.V.Akusticheskie rezonansnye kharakteristiki dvukh- i trekhslynkyh sotovykh zvukopogloshchaiushchikh panelei [Acoustic resonance characteristics of two- and three-layer cellular sound-absorbing panels] // Bulletin of the Perm National Research Polytechnic University. Aerospaceengineering, 2016, № 3 (46), C. 144-159. Scholar
9.Modorsky V. Ya. et al. Chislennoe modelirovanie protsessov vzaimovlianiiia 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
10.Seregina M. A. et al. Chislennoe modelirovanie protsessov vzaimovlianiiia 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
11.Seregina M. A. et al. Chislennoe modelirovanie kolebatel'nykh protsessov v model'nom kanale s dvumia peregorodkami, zapolnennom vodorodom [Numerical modeling of oscillatory processes in a model channel with two partitions filled with hydrogen] // Bulletin of the Perm National Research Polytechnic University. Aerospace engineering, 2024, No. 6, pp. 47-59. Scholar
12.Leissa A. W. Vibration of plates // Scientific and Technical Information Division, National Aeronautics and Space Administration, 1969, 360 p. Scholar
13.Ustoichivost' krugovykh tsilindricheskikh obolochek [Stability of circular cylindrical shells] / E.I. Grigolyuk, V.V. Kabanov. Moscow, 1969, 346 p. Scholar
14.Birger I. A. Prochnost'. Ustochivost'. Kolebaniia [Durability. Stability. Oscillations]. Ripol Classic, 2013. 574 p. Scholar
15.Timoshenko S. P., Woinowsky-Krieger S. Theory of Plates and Shells // McGraw-Hill, 1959, 580 p. Scholar
16.Soedel W. Vibrations of Shells and Plates // CRC Press, 2004, 586 p. Scholar
17.Volmir A.S. Nelineinaiia dinamika plastin i obolochek [Nonlinear Dynamics of Plates and Shells]. Nauka, 1972, 432 p. Scholar
18.Allam S. M. et al. Vibration analysis of composite plates with cutouts // Journal of Vibration and Control, 2010, Vol. 16, No. 5, pp. 721-744. Scholar
19.Reddy J. N. Theory and Analysis of Elastic Plates and Shells // CRC Press, 2007. 560 p. Scholar
20.Kerwin E. M. Damping of flexural waves by a constrained viscoelastic layer // JASA, 1959, Vol. 31, No. 7, pp. 952-962. Scholar
21.Ingard K. U. On the theory and design of acoustic resonators // JASA, 1953, Vol. 25, No. 6, pp. 1037-1061. Scholar
22.Maa D.-Y. Potential of microperforated panel absorbers // JASA, 1998, Vol. 104, No. 5, pp. 2861-2866. Scholar
23.Bolton J. S. et al. Sound transmission through multi- panel structures // JSV. – 1996, Vol. 191, No. 3, pp. 317-347. Scholar
24.Weaver D. S., Ziada S. Flow-induced vibrations in industrial applications // J. Pressure Vessel Tech, 2007, Vol. 129, No. 3, pp. 368-375. Scholar
25.Paidoussis M. P. Fluid-Structure Interactions: Slender Structures and Axial Flow. Vol. 1. Academic Press, 1998, 508 p. Scholar
26.Dowell E. H. A Modern Course in Aeroelasticity // Springer, 2015, 747 p. Scholar
27.ANSYS, Inc. ANSYS Mechanical User's Guide. Release 2023 R1, 2023. Scholar
28.Zhang X., Li W. Numerical study on sound absorption of perforated panels // Applied Acoustics, 2019, Vol. 148, pp. 335-343. Scholar
29.Liu Y., He C. Acoustic performance of multilayer micro-perforated panel absorbers // Applied Acoustics, 2020, Vol. 162, 107225. Scholar
30.Kuo S.-M. et al. Real-time DSP implementation of active noise control // IEEE Trans. Control Syst. Technol, 2005, Vol. 13, No. 5, pp. 835-843. Scholar
31.Zhang Z. et al. Acoustic impedance of perforated materials under high-level excitation // JASA, 2012, Vol. 132, No. 4, pp. 2433-2444. Scholar
32.Huang X. Sound transmission through a perforated plate with bias flow // JSV. - 2008, Vol. 313, No. 3-5, pp. 782-799. Scholar
33.Zhang Q. et al. A review of acoustic metamaterials and phononic crystals // Appl. Phys. Rev, 2021, Vol. 8, No. 3, 031314. Scholar
34.Wang X. et al. Hydrogen embrittlement in pipeline steels // Int. J. Hydrogen Energy, 2022, Vol. 47, No. 12, pp. 6543-6561. Scholar
35.Smith B. L. et al. Safety and efficiency in hydrogen transport via pipelines // Renew. Sustain. Energy Rev, 2021, Vol. 145, 111098. Scholar

1.Якубсон К. И. Перспективы производства и использования водорода как одно из направлений развития низкоуглеродной экономики в Российской Федерации (обзор) // Журнал прикладной химии. – 2020. – Т. 93, № 12. – С. 1675-1695. Scholar
2.Карасевич В. А., Руденко С. Ю., Кортяков А. В. Текущее состояние и потенциал использования природного газа для производства и экспорта водородосодержащей продукции // Проблемы экономики и управления нефтегазовым комплексом. – 2022. – № 1. – С. 160-165. Scholar
3.Исмагилова В. С., Чекушина Т. В. Транспортировка трубопроводного и сжиженного природного газа: сравнительный анализ достоинств и недостатков // Науки о Земле и недропользование. – 2023. – Т. 46, № 1 (82). – С. 61-71. Scholar
4.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, Issue 1. – 6 p. Scholar
5.Дусалимов М. Э., Валиуллина С. Я., Гундорова И. Г., Алексеев В. А. Основные проблемы транспорта и хранения водорода // Neftegaz.RU. – 2022. – № 9. – С. 52-57. Scholar
6.Шульдешов Е. М., Краев И. Д., Образцова Е. П. Материалы для звукопоглощающих конструкций авиационных двигателей (обзор) // Труды ВИАМ. – 2021. – № 7 (101). – С. 59-72. Scholar
7.Аношкин А. Н., Модорский В. Я., Старцев А. С. Расчетно-экспериментальные исследования резонансных многослойных звукопоглощающих конструкций // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. –2015. – № 1. – С. 5-20. Scholar
8.Захаров А.Г., Аношкин А.Н., Паньков А.А., Писарев П.В. Акустические резонансные характеристики двух- и трехслойных сотовых звукопоглощающих панелей // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. – 2016. – № 3 (46). – С. 144-159. Scholar
9.Модорский В. Я. и др. Численное моделирование процессов взаимовлияния волны возмущения в водороде и перегородки в модельном канале //Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2023. – №. 6. – С. 68-77. Scholar
10.Серегина М. А. и др. Численное моделирование процессов взаимовлияния волны газа и деформированной преграды в модельном канале авиационного двигателя //Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. – 2022. – №. 69. – С. 92-99. Scholar
11.Серегина М. А. и др. Численное моделирование колебательных процессов в модельном канале с двумя перегородками, заполненном водородом //Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2024. – №. 6. – С. 47-59. Scholar
12.Leissa A. W. Vibration of plates // Scientific and Technical Information Division, National Aeronautics and Space Administration. – 1969. – 360 p. Scholar
13.Устойчивость круговых цилиндрических оболочек / Э.И. Григолюк, В.В. Кабанов. – Изд-во: Москва, 1969. – 346 с. Scholar
14.Биргер И. А. Прочность. Устойчивость. Колебания. – Изд-во: Рипол Классик, 2013.– 574 с. Scholar
15.Timoshenko S. P., Woinowsky-Krieger S. Theory of Plates and Shells // McGraw-Hill, 1959. – 580 p. Scholar
16.Soedel W. Vibrations of Shells and Plates // CRC Press, 2004. – 586 p. Scholar
17.Вольмир А.С. Нелинейная динамика пластин и оболочек. – Наука, 1972. – 432 с. Scholar
18.Allam S. M. et al. Vibration analysis of composite plates with cutouts // Journal of Vibration and Control. – 2010. – Vol. 16, No. 5. – pp. 721-744. Scholar
19.Reddy J. N. Theory and Analysis of Elastic Plates and Shells // CRC Press, 2007. – 560 p. Scholar
20.Kerwin E. M. Damping of flexural waves in a constrained viscoelastic layer // JASA. – 1959. – Vol. 31, No. 7. – pp. 952-962. Scholar
21.Ingard K. U. On the theory and design of acoustic resonators // JASA. – 1953. – Vol. 25, No. 6. – pp. 1037-1061. Scholar
22.Maa D.-Y. Potential of microperforated panel absorbers // JASA. – 1998. – Vol. 104, No. 5. – pp. 2861-2866. Scholar
23.Bolton J. S. et al. Sound transmission through multi-panel structures // JSV. – 1996. – Vol. 191, No. 3. – pp. 317-347. Scholar
24.Weaver D. S., Ziada S. Flow-induced vibrations in industrial applications // J. Pressure Vessel Tech. – 2007. – Vol. 129, No. 3. – pp. 368-375. Scholar
25.Paidoussis M. P. Fluid-Structure Interactions: Slender Structures and Axial Flow. Vol. 1. – Academic Press, 1998. – 508 p. Scholar
26.Dowell E. H. A Modern Course in Aeroelasticity // Springer, 2015. – 747 p. Scholar
27.ANSYS, Inc. ANSYS Mechanical User's Guide. Release 2023 R1, 2023. Scholar
28.Zhang X., Li W. Numerical study on sound absorption of perforated panels // Applied Acoustics. – 2019. – Vol. 148. – pp. 335-343. Scholar
29.Liu Y., He C. Acoustic performance of multilayer micro-perforated panel absorbers // Applied Acoustics. – 2020. – Vol. 162. 107225. Scholar
30.Kuo S.-M. et al. Real-time DSP implementation of active noise control // IEEE Trans. Control Syst. Technol. – 2005. – Vol. 13, No. 5. – pp. 835-843. Scholar
31.Zhang Z. et al. Acoustic impedance of perforated materials under high-level excitation // JASA. – 2012. – Vol. 132, No. 4. – pp. 2433-2444. Scholar
32.Huang X. Sound transmission through a perforated plate with bias flow // JSV. – 2008. – Vol. 313, No. 3–5. – pp. 782-799. Scholar
33.Zhang Q. et al. A review of acoustic metamaterials and phononic crystals // Appl. Phys. Rev. – 2021. – Vol. 8, No. 3. 031314. Scholar
34.Wang X. et al. Hydrogen embrittlement in pipeline steels // Int. J. Hydrogen Energy. – 2022. – Vol. 47, No. 12. – pp. 6543-6561. Scholar
35.Smith B. L. et al. Safety and efficiency in hydrogen transport via pipelines // Renew. Sustain. Energy Rev. – 2021. – Vol. 145. 111098. Scholar

Article information

Published: 29 December 2025
Issue date: 29 December 2025
Issue: No. 6 (2025)