Spatial modeling of water foam dynamics with moving Lagrangian grids under shock wave impact

Authors

Keywords:

pressure pulse, gas-liquid foam, two-phase model, spatial problems, numerical simulation, moving Lagrangian grids, two-phase wave flows

Abstract

The dynamic processes of wave pulse propagation in an aqueous foam and the air shock wave interaction with the foam barrier are numerically modeled and studied. The proposed method of solution is based on a two-phase gas-liquid mixture model using a wide-range state equation for describing the thermodynamic properties of mixture components. The shock-capturing method with moving Lagrangian grids is used, which allows one to simplify the numerical analysis of two-phase shock-wave flows. The two-dimensional axisymmetric model is verified by comparison with the numerical results obtained on the basis of the spherically symmetric one-dimensional model. The flow regimes causing the air shock wave blocking by foam barriers, followed by the formation of vortex structures, are analyzed. The efficiency and features of foam damping properties are discussed.

Author Biographies

R.Kh. Bolotnova

Mavlyutov Institute of Mechanics of RAS
• Leading Researcher

U.O. Agisheva

Mavlyutov Institute of Mechanics of RAS
• Junior Researcher

References

  1. Britan A., Shapiro H., Liverts M., Chinnayya A., Hadjadj A., Ben-Dor G. Macro-mechanical modelling of blast wave mitigation in foams. Part I: review of available experiments and models // Shock Waves. 2013. 23, N 1. 5-23.
  2. Ball G.J., East R.A. Shock and blast attenuation by aqueous foam barriers: influences of barrier geometry // Shock Waves. 1999. 9, N 1. 37-47.
  3. Del Prete E., Chinnayya A., Domergue L., Hadjadj A., Haas J.-F. Blast wave mitigation by dry aqueous foams // Shock Waves. 2013. 23, N 1. 39-53.
  4. Britan A., Ben-Dor G., Shapiro H., Liverts M., Shreiber I. Drainage effects on shock wave propagating through aqueous foams // Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects. 2007. 309, N 1-3. 137-150.
  5. Borisov A.A., Gelfand В.Е., Kudinov V.M., Palamarchuk B.I., Stepanov V.V., Timofeev E.I., Khomik S.V. Shock waves in water foams // Acta Astronautica. 1978. 5, N 11/12. 1027-1033.
  6. Shea J.W., Pater L.L. Foam filled muzzle blast reducing device // United States Patent No. US4454798. 1984.
  7. Raspet R., Butler P.B., Yanahi F. The reduction of blast overpressure from aqueous foam in a rigid confinement // Applied Acoustics. 1987. 22, N 1. 35-45.
  8. Moxon N.T., Torrance A.C., Richardson S.B. Sound attenuation with foam // United Kingdom Patentlinebreak No. GB2199869A. 1988.
  9. Gettle G.L., Homer V.H. Acoustic/shock wave attenuating assembly // United States Patent No. US5225622. 1993.
  10. Британ А.Б., Зиновик И.Н., Левин В.А. Распространение ударных волн по вертикальному столбу пены с градиентом плотности // Прикладная математика и техническая физика. 1992. 33, № 2. 27-32.
  11. Британ А.Б., Зиновик И.Н., Левин В.А. Разрушение пены ударными волнами // Физика горения и взрыва. 1992. 28, № 5. 108-116.
  12. Британ А.Б., Зиновик И.Н., Левин В.А., Митичкин С.Ю., Тестов В.Г., Хайбо Ху. Особенности распространения газодинамических возмущений при взаимодействии ударных волн с двухфазными средами пенистой структуры // Журнал технической физики. 1995. 65, № 7. 19-28.
  13. Вахненко В.А., Кудинов В.М., Паламарчук Б.И. К вопросу о затухании сильных ударных волн в релаксирующих средах // Физика горения и взрыва. 1984. 20, № 1. 105-111.
  14. Васильев Е.И., Митичкин С.Ю., Тестов В.Г., Хайбо Ху. Численное моделирование и экспериментальное исследование влияния процесса синерезиса на распространение ударных волн в газожидкостной пене // Журнал технической физики. 1997. 67, № 11. 1-9.
  15. Васильев Е.И., Митичкин С.Ю., Тестов В.Г., Хайбо Ху. Динамика давления при ударном нагружении газожидкостных пен // Журнал технической физики. 1998. 68, № 7. 19-23.
  16. Ждан С.А. Численное моделирование взрыва заряда ВВ в пене // Физика горения и взрыва. 1990. 26, № 2. 103-110.
  17. Суров В.С. Сравнительный анализ двух моделей пены // Физика горения и взрыва. 1995. 31, № 3. 22-28.
  18. Киселев C.П., Киселев В.П. Подъем частиц пыли за отраженной ударной волной, скользящей над слоем частиц // Прикладная механика и техническая физика. 2001. 42, № 5. 8-15.
  19. Коротеева Е.Ю., Иванов И.Э., Знаменская И.А. Развитие турбулентности за фронтом ударной волны при ее движении по неоднородной области // Письма в ЖТФ. 2012. 38, № 11. 46-52.
  20. Дьяченко С.В. Разработка пакета программ для трехмерного численного моделирования многофазных многокомпонентных течений в атомной энергетике // Вычислительные методы и программирование. 2014. 15. 162-182.
  21. Болотнова Р.Х., Агишева У.О. Особенности распространения ударных волн в водных пенах с неоднородной плотностью // Сборник трудов Института механики УНЦ РАН. 2012. Вып. 9. 41-46.
  22. Агишева У.О. Воздействие ударных волн на пузырьковые и пенные структуры в двумерных осесимметричных объемах // Вестник Башкирского университета. 2013. 18, № 3. 640-645.
  23. Олдер Б., Фернбах С., Ротенберг М. Вычислительные методы в гидродинамике. М.: Мир, 1967.
  24. Нигматулин Р.И., Болотнова Р.Х. Широкодиапазонное уравнение состояния воды и пара. Упрощенная форма // Теплофизика высоких температур. 2011. 49, № 2. 310-313.
  25. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред. М.: Наука, 1987.
  26. Куропатенко В.Ф., Мустафин В.К. Методика расчета нестационарных течений в многокомпонентных неравновесных смесях веществ // Вестник Челябинского университета. 1997. 6, № 1. 97-102.
  27. Агишева У.О., Болотнова Р.Х., Бузина В.А., Галимзянов М.Н. Параметрический анализ режимов ударно-волнового воздействия на газожидкостные среды // Известия РАН. Механика жидкости и газа. 2013. № 2. 15-28.
New computational technologies

Downloads

Published

16-07-2014

How to Cite

Болотнова Р., Агишева У. Spatial Modeling of Water Foam Dynamics With Moving Lagrangian Grids under Shock Wave Impact // Numerical Methods and Programming (Vychislitel’nye Metody i Programmirovanie). 2014. 15. 427-440

Issue

Vol. 15 (2014): Issue 3.

Section

Section 1. Numerical methods and applications