Численный расчет гетерогенной реакции при высоких числах Рейнольдса

Процессы фильтрации, катализа, сорбции и накопления загрязняющих веществ в пористых структурах широко применяются в химической технологии, охране окружающей среды и энергетике. Математическое моделирование таких процессов позволяет глубже понять взаимосвязь между геометрией пористой среды, режимом течения и эффективностью массопереноса и накопления вещества. Особенно важен анализ в условиях, когда течение перестаёт быть ламинарным и переходит в режим с локальными вихрями. Целью работы является численное исследование поведения реагента в пористой среде с интенсивным течением.
Рассматривается двумерная область, моделирующая пористую среду в виде совокупности твёрдых непроницаемых включений, окружённых жидкой фазой. Гидродинамика описывается уравнением Навье–Стокса, решаемым методом конечных объёмов для нестационарного течения при больших числах Рейнольдса. Это позволяет учесть образование вихрей, ускорение потока и сдвиговые напряжения вблизи стенок пор. Перенос концентрации реагента в подвижной жидкости моделируется уравнением конвекции–диффузии с граничной реакцией, описанной линейно-параболической изотермой. Это позволяет описать поведение вещества на поверхности твердой фазы. В результате рассчитываются две ключевые характеристики: кривая прорыва и интегральное накопление вещества на поверхности пор. Эти данные позволяют количественно оценить эффективность пористой среды как сорбционного или каталитического фильтра и выявить влияние структуры потока на распределение накопленного вещества.
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РНФ № 23-71-30013.