Моделирование колебаний газа в реакторе пиролиза метана с использованием локально-неравновесного уравнения Навье—Стокса

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

На основе модифицированного закона Ньютона для касательного напряжения при ламинарном течении газа в плоскопараллельном канале выведено локально-неравновесное уравнение Навье–Стокса, учитывающее длину и время свободного пробега микрочастиц. Численное исследование его решения для случая гармонического изменения перепада давления по длине канала показало, что изменение скорости в каждой точке также носит гармонический характер. Установлено, что амплитуда колебаний скорости уменьшается с ростом длины и времени свободного пробега микрочастиц. При фиксированных параметрах микрочастиц амплитуда колебаний снижается с увеличением вязкости газа и уменьшением ширины канала. В предельном случае, когда ширина канала становится сравнимой с длиной свободного пробега, амплитуда колебаний скорости достигает практически нулевого значения, несмотря на сохранение амплитуды колебаний перепада давления. Показано, что организация колебаний газового потока может быть использована для очистки внутренних поверхностей реактора пиролиза метана от углеродных отложений, снижающих эффективность процесса получения водорода и углерода.

Об авторах

Юрий Александрович Крюков

Самарский государственный технический университет

Email: yurakryukov1985@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-8505-132X
https://www.mathnet.ru/rus/person115309

кандидат технических наук; инженер; каф. физики

Россия, 443100, Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Сергей Владимирович Зайцев

Самарский государственный технический университет

Email: mr.zaitzev@mail.ru
ORCID iD: 0009-0000-4380-1201
SPIN-код: 1589-9724
Scopus Author ID: 59306743600
ResearcherId: LRV-2214-2024
https://www.mathnet.ru/rus/person202964

аспирант; младший научный сотрудник; каф. физики

Россия, 443100, Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Игорь Васильевич Кудинов

Самарский государственный технический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: igor-kudinov@bk.ru
ORCID iD: 0000-0002-9422-0367
SPIN-код: 4122-0072
Scopus Author ID: 35169937500
https://www.mathnet.ru/rus/person44183

доктор технических наук, профессор; заведующий кафедрой; каф. физики

Россия, 443100, Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Тимур Фархадович Амиров

Самарский государственный технический университет

Email: tim_amiroff@mail.ru
ORCID iD: 0009-0008-6492-5164
SPIN-код: 4663-5983
https://www.mathnet.ru/rus/person213825

аспирант; младший научный сотрудник; каф. физики

Россия, 443100, Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Максим Владимирович Ненашев

Самарский государственный технический университет

Email: nenashev.mv@samgtu.ru
ORCID iD: 0000-0003-3918-5340
Scopus Author ID: 56462953900
https://www.mathnet.ru/rus/person38904

доктор технических наук, профессор; профессор; каф. технологии твердых химических веществ

Россия, 443100, Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Список литературы

  1. Qian J. X., Chen T. W., Liu D. B., et al. Methane decomposition to pure hydrogen and carbon nano materials: State-of-the-art and future perspectives // Int. J. Hydrogen Energy, 2020. vol. 45, no. 32. pp. 15721–15743. EDN: RKYKBH. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.04.100.
  2. Fan Z., Weng W., Xiao W., et al. Catalytic decomposition of methane to produce hydrogen: A review // J. Energy Chem., 2021. vol. 58. pp. 415–430. EDN: XBSQTH. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jechem.2020.10.049.
  3. Pleshivtseva Yu., Derevyanov M., Pimenov A., Rapoport A. Comprehensive review of low carbon hydrogen projects towards the decarbonization pathway // Int. J. Hydrogen Energy, 2022. vol. 48, no. 10. pp. 3703–3724. EDN: WUWCKU. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.10.209.
  4. Pleshivtseva Yu., Derevyanov M., Pimenov A., Rapoport A. Comparative analysis of global trends in low carbon hydrogen production towards the decarbonization pathway // Int. J. Hydrogen Energy, 2023. vol. 48, no. 83. pp. 32191–32240. EDN: RNZICP. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.04.264.
  5. Kudinov I. V., Kosareva E. A., Dolgikh V. D., et al. Hydrogen production by thermocatalytic decomposition of methane: Modern achievements (A review) // Pet. Chem., 2025. vol. 65, no. 1. pp. 10–34. EDN: GXENHA. DOI: https://doi.org/10.1134/S0965544124080176.
  6. Kudinov I. V., Pimenov A. A., Kryukov Y. A., Mikheeva G. V. A theoretical and experimental study on hydrodynamics, heat exchange and diffusion during methane pyrolysis in a layer of molten tin // Int. J. Hydrogen Energy, 2021. vol. 46, no. 17. pp. 10183–10190. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.12.138.
  7. Leal Pérez B., Medrano Jiménez J.A., Van Sint Annaland M., et al. Methane pyrolysis in a molten gallium bubble column reactor for sustainable hydrogen production: Proof of concept & techno-economic assessment // Int. J. Hydrogen Energy, 2021. vol. 46, no. 7. pp. 4917–4935. EDN: OXOXLU. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.11.079.
  8. Sánchez-Bastardo N., Schlögl R., Ruland H. Methane pyrolysis for CO2-free H2 production: A green process to overcome renewable energies unsteadiness // Chem. Ing. Tech, 2020. vol. 92, no. 10. pp. 1596–1609. EDN: SPEEXP. DOI: https://doi.org/10.1002/cite.202000029.
  9. Karimi S., Bibak F., Meshkani F., et al. Promotional roles of second metals in catalyzing methane decomposition over the Ni-based catalysts for hydrogen production: A critical review // Int. J. Hydrogen Energy, 2021. vol. 46, no. 39. pp. 20435–20480. EDN: JHDYAL. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2021.03.160.
  10. Петухов Б. С. Теплообмен и сопротивление при ламинарном течении жидкости в трубах. М.: Энергия, 1967. 412 с.
  11. Schlichting H., Gersten K. Boundary-Layer Theory. Berlin: Springer, 2017. xxviii+805 pp. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-662-52919-5.
  12. Богомолов А. И., Михайлов К. А. Гидравлика. М.: Стройиздат, 1972. 648 с.
  13. Лыков А.В. Применение методов термодинамики необратимых процессов к исследованию тепло- и массообмена // Инж.-физ. ж., 1965. Т. 9, №3. С. 287–304.
  14. Лыков А. В. Теория теплопроводности. М.: Гостехиздат, 1952. 392 с.
  15. Соболев С. Л. Локально-неравновесные модели процессов переноса // УФН, 1997. Т. 167, №10. С. 1095–1106. DOI: https://doi.org/10.3367/UFNr.0167.199710f.1095.
  16. Majchrzak E., Mochnacki B. Dual-phase lag model of thermal processes in a multi-layered microdomain subjected to a strong laser pulse using the implicit scheme of FDM // Int. J. Therm. Sci., 2018. vol. 133. pp. 240–251. EDN: YJLTQT. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2018.07.030.
  17. Kudinov I. V., Kudinov V. A., Gavrilova T. Y. Mathematical modelling of thermal dynamic stresses on the basis of a dual – Phase lag model // Int. J. Heat Mass Transf., 2019. vol. 138. pp. 326–334. EDN: EXJEGE. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2019.04.011.
  18. Кудинов И.В. Разработка математических моделей и исследование неравновесных явлений с учетом пространственно-временной нелокальности // Вестн. Сам. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки, 2018. Т. 22, №1. С. 116–152. EDN: UTXSMC. DOI: https://doi.org/10.14498/vsgtu1566.
  19. Хакимзянов Г. С., Черный С. Г. Методы вычислений. Т. 4: Численные методы решения задач для уравнений гиперболического типа. Новосибирск: Новосиб. гос. ун-т, 2014. 207 с.
  20. Самарский А. А., Николаев Е. С. Методы решения сеточных уравнений. М.: Наука, 1978. 591 с.
  21. Кудинов И. В., Трубицын К. В., Еремин А. В., Долгих В. Д. Математическое моделирование колебаний газа в реакторе пиролиза метана // Вестн. Сам. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки, 2024. Т. 28, №4. С. 773–789. EDN: SRKXEK. DOI: https://doi.org/10.14498/vsgtu2115.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Равномерная конечно-разностная сетка

Скачать (51KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Распределение скорости по ширине канала в различные моменты времени при $ A_1 = 0.42 $, $ F = A_2 = 0 $, $ {\sf Zh} \geqslant 3.0 $; точки — аналитическое решение согласно (31)

Скачать (243KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Распределение скорости в точках $\eta = 0$ (кривая 1), $\eta = 0.2$ (кривая 2), $\eta = 0.4$ (кривая 3), $\eta = 0.6$ (кривая 4), $\eta = 0.8$ (кривая 5) по ширине канала во времени при $F = 0$, $A_1 = 0.42$, $A_2 = 10$

Скачать (204KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Распределение скорости в точках $\eta = 0$ (кривая 1), $\eta = 0.2$ (кривая 2), $\eta = 0.4$ (кривая 3), $\eta = 0.6$ (кривая 4), $\eta = 0.8$ (кривая 5) по ширине канала во времени при $F = 10$, $A_1 = 0.42$, $A_2 = 10 $

Скачать (163KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Распределение скорости в точках $\eta = 0$ (кривая 1), $\eta = 0.2$ (кривая 2), $\eta = 0.4$ (кривая 3), $\eta = 0.6$ (кривая 4), $\eta = 0.8$ (кривая 5) по ширине канала во времени при $F = 50$, $A_1 = 0.42$, $A_2 = 10 $

Скачать (95KB)
Метаданные

© Авторский коллектив; Самарский государственный технический университет (составление, дизайн, макет), 2025

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).