Method of numerical analysis of the problem of mass transfer of a cylindrical body with the uniform translational flow

Abstract

EN: The problem of mass transfer of a cylindrical body with a uniform translational flow of a viscous incompressible fluid is examined in the paper. Objective. The purpose of this work is to develop a new method for numerical analysis of the problem of mass transfer of a cylindrical body with a uniform translational flow, which based on the joint application of the R-functions structural method and the Galerkin projection method. Method. In general case, the problem of stationary mass transfer of a cylindrical body with a viscous incompressible fluid flow is reduced to the solution of the equation of hydrodynamic flow passing a surface and an equation for concentration with corresponding boundary conditions on the surface of the body and far away from it. The geometry of the area, and also the boundary conditions (including the condition at infinity) may be taken into account precisely by using the constructive apparatus of the R-functions theory by V. L. Rvachev, the Academician of Ukrainian National Academy of Sciences. In this study, a complete structure of the solution of a linear boundary value problem for the concentration that exactly satisfies the boundary conditions on the boundary and condition at infinity is constructed on the basis of the R-functions theory methods, and this made it possible to lead the tasks in the infinite domain to tasks in the finite domain. To solve the linear problem for concentration the numerical algorithm on the basis of Galerkin method is developed. Results. The computational experiment for the problem of the flow past circular and elliptical cylinders at various Reynolds and Peclet numbers was carried out. Conclusions. The conducted experiments have confirmed the efficiency of the proposed method of numerical analysis of the problem of mass transfer of a cylindrical body with a uniform translational flow, based on the joint application of the R-functions structural method and Galerkin projection method. The prospects for the further research may be to use the developed method for the implementation of iterative methods for solving the task of nonlinear mass transfer, semi-discrete and projection methods for solving the non-stationary tasks, as well as in solving the tasks of optimal management of relevant technological processes. flow task UK: статті розглядається задача масообміну циліндричного тіла з рівномірним поступальним потоком в’язкої нестисливої рідини. Мета роботи – розробка нового методу чисельного аналізу задачі масообміну циліндричного тіла з рівномірним поступальним потоком, заснованого на сумісному застосуванні структурного методу R-функцій і проекційного методу Гальоркіна. Метод. У загальному випадку задача про стаціонарний масообмін циліндричного тіла з потоком в’язкої нестисливої рідини зводиться до розв’язання рівняння гідродинамічного обтікання поверхні і рівняння для концентрації з відповідними крайовими умовами на поверхні тіла і далеко від нього. Точно врахувати геометрію області, а також крайові умови (в т.ч. і умову на нескінченності), можна, скориставшись конструктивним апаратом теорії R функцій акад. НАН України В. Л. Рвачова. В роботі на основі методів теорії R-функцій побудована повна структура розв’язку лінійної крайової задачі для концентрації, яка точно задовольняє крайовим умовам на межі тіла і умові на нескінченності, що дозволило звести задачі в нескінченній області до задач в скінченній області. Для розв’язання лінійної задачі для концентрації розроблено чисельний алгоритм на основі методу Гальоркіна. Результати. Обчислювальний експеримент проведений для задачі обтікання кругового і еліптичного циліндрів для різних чисел Рейнольдса і Пекле. Висновки. Проведені експерименти підтвердили працездатність запропонованого методу чисельного аналізу задачі масообміну циліндричного тіла з рівномірним поступальним потоком, заснованого на сумісному використанні структурного методу R-функцій і проекційного методу Гальоркіна. Перспективи подальших досліджень можуть полягати у використанні розробленого методу при реалізації ітераційних методів розв’язання задачі нелінійного масообміну, полудіскретних і проекційних методів розв’язання нестаціонарних задач, а також при розв’язанні задач оптимального управління відповідними технологічними процесами.