Numerical Simulation of Gas Dynamics and Mass Transfer in a Nitrogen Shielding Gas Preparation Chamber
DOI:
https://doi.org/10.24160/1993-6982-2026-2-86-93Keywords:
shielding gas, nitrogen, hydrogen, gas dynamics, flow distribution, mixing, concentration, mathematical model, metallurgical productionAbstract
A model of a mixing chamber intended to provide a low-reducing mixture of N₂ + 2-5% H₂ gases for metallurgical production processes is considered. The mixing station geometry is presented, and a physical model and mathematical description are developed for calculating the distributions of gas flow velocities and pressure, and the nitrogen concentration in the mixing chamber and at the outlet to the main pipeline after mixing the flows. The numerical simulation results are analyzed in changing the gas input parameters (flowrate and concentration) to achieve a uniform distribution of hydrogen and nitrogen in the mixture, and the required velocities and pressure at the outlet. The optimal gas injection modes to achieve a uniform concentration at the mixing chamber outlet have been determined, which will help retain the necessary properties of cold-rolled steel after annealing.
References
1. Свадковский В.А. Водородная металлургия: трансформация взаимодействия угольных шахт и сталелитейных заводов в контексте устойчивого развития // Экономика строительства. 2025. № 4. С. 283—287.
2. Turnbull R.R. e. a. Reactivity of Hydrogen-helium and Hydrogen-nitrogen Mixtures at High Pressures // Phys. Rev. Lett. 2018. V. 121. P. 195702.
3. Murphy A.B. Transport Coefficients of Plasmas in Mixtures of Nitrogen and Hydrogen // Chem. Phys. 2012. V. 398. Pp. 64—72.
4. Анкудинов В.Б., Марухин Ю.А., Огородников В.П., Рыжков В.А. Технология получения монодисперсных сферических гранул // Металлург. 2025. № 4. С. 36—39.
5. Matsuda M., Takakura Y., Nakabayashi Y., Morioka T. Ultrasonic Gas Flow and Concentration Measurement in Hydrogen and Nitrogen Gas Mixtures // Measurement: Sensors. 2025. V. 38. P. 101535.
6. Голосман Е.З., Ефремов В.Н., Кашинская А.В. Никелевые катализаторы для процесса очистки азотоводородной смеси от оксидов углерода // Теоретические основы химической технологии. 2020. № 15(2). С. 21—29.
7. Аншелес В.Р., Юдин Р.А., Вишнякова И.Л., Быкова Е.О. О системе поддержки принятия решений процесса получения защитной азотно-водородной атмосферы в производстве метизов // Вестник Череповецкого гос. ун-та. 2013. Т. 1. № 1. C. 65—70.
8. Галевский Г.В., Руднева В.В., Аникин А.Е. Особенности восстановления и карбидизации диоксида циркония природным газом в условиях плазменного потока // Теория и технология металлургического производства. 2020. № 4. С. 4—9.
9. Hongtao Li e. a. Synthesis of Metal and Nitrogen Co-doped Activated Carbon Catalysts for the Co-production of Monocyclic Aromatics and Hydrogen-Rich Gas from the Pyrolysis of Biomass and Plastic // Energy. 2025. V. 316. P. 134652.
10. Rudy W., Teodorczyk A., Wen J. Self-ignition of Hydrogen-nitrogen Mixtures During High-pressure Release into Air // Intern. J. Hydrogen Energy. 2015. V. 42. Pp. 7340—7352.
11. Chenglong Tang e. a. Explosion Characteristics of Hydrogen–nitrogen–air Mixtures at Elevated Pressures and Temperatures // Intern. J. Hydrogen Energy. 2009. V. 34. Pp. 554—561.
12. Qiyang Sun e. a. Combustion and Emission Characteristics of an Ammonia-hydrogen Engine Using Hydrogen-nitrogen Jet Ignition // Energy. 2025. V. 328(1). P. 136544.
13. Есипов Р.С. Разработка технологии низкотемпературного ионного азотирования сталей 12Х18Н10Т и 13Х11Н2В2МФ-Ш с ультрамелкозернистой структурой: дисс. … канд. тех. наук. М.: Московский авиационный институт, 2019.
14. Пат. № 2193520 РФ. Процесс производства защитной азотоводородной атмосферы / Иванов Е.Г. и др. // Бюл. изобрет. 2002. № 33.
15. Пат. № 2828861 РФ. Способ производства азотно-водородной смеси для синтеза аммиака путем частичного окисления водорода воздухом / Адоевский А.В., Фальман А.Г. // Бюл. изобрет. 2024. № 30.
16. Черноусов П.И., Голубев О.В., Мясоедов С.В., Узунова А.Н. Исследование влияния влажности дутья на показатели восстановительных процессов доменной плавки // Черные металлы. 2024. № 7. С. 38—44.
17. Валуева Е.П., Свиридов В.Г. Введение в механику жидкости. М.: Изд-во МЭИ, 2001.
18. Дергунов И.М. Сидоров А.А. Основы моделирования гидрогазодинамики и теплообмена в низкотемпературных устройствах в программе Ansys Fluent. М.: Изд-во МЭИ, 2023.
19. Муравьев А.В. и др. Гидродинамика и теплообмен в змеевиковой трубке с закрученным турбулизатором и внешним оребрением // Вестник МЭИ, 2025. № 1. С. 67—75.
20. Сидоров А.А., Ястребов А.К. Методика определения характеристик радиального турбодетандера для смесевых рабочих тел на нерасчетных режимах // Теплоэнергетика. 2024. № 4. С. 5—18.
---
Для цитирования: Передерий Д.А., Пузина Ю.Ю. Численное моделирование газодинамики и массообмена в камере приготовления азотного защитного газа // Вестник МЭИ. 2026. № 2. С. 86—93. DOI: 10.24160/1993-6982-2026-2-86-93
---
Конфликт интересов: авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов
#
1. Svadkovskiy V.A. Vodorodnaya Metallurgiya: Transformatsiya Vzaimodeystviya Ugol'nykh Shakht i Staleliteynykh Zavodov v Kontekste Ustoychivogo Razvitiya. Ekonomika Stroitel'stva. 2025;4:283—287. (in Russian).
2. Turnbull R.R. e. a. Reactivity of Hydrogen-helium and Hydrogen-nitrogen Mixtures at High Pressures. Phys. Rev. Lett. 2018;121:195702.
3. Murphy A.B. Transport Coefficients of Plasmas in Mixtures of Nitrogen and Hydrogen. Chem. Phys. 2012;398:64—72.
4. Ankudinov V.B., Marukhin Yu.A., Ogorodnikov V.P., Ryzhkov V.A. Tekhnologiya Polucheniya Monodispersnykh Sfericheskikh Granul. Metallurg. 2025;4:36—39. (in Russian).
5. Matsuda M., Takakura Y., Nakabayashi Y., Morioka T. Ultrasonic Gas Flow and Concentration Measurement in Hydrogen and Nitrogen Gas Mixtures. Measurement: Sensors. 2025;38:101535.
6. Golosman E.Z., Efremov V.N., Kashinskaya A.V. Nikelevye Katalizatory dlya Protsessa Ochistki Azotovodorodnoy Smesi ot Oksidov Ugleroda. Teoreticheskie Osnovy Khimicheskoy Tekhnologii. 2020;15(2):21—29. (in Russian).
7. Ansheles V.R., Yudin R.A., Vishnyakova I.L., Bykova E.O. O Sisteme Podderzhki Prinyatiya Resheniy Protsessa Polucheniya Zashchitnoy Azotno-vodorodnoy Atmosfery v Proizvodstve Metizov. Vestnik Cherepovetskogo Gos. Un-ta. 2013;1;1:65—70. (in Russian).
8. Galevskiy G.V., Rudneva V.V., Anikin A.E. Osobennosti Vosstanovleniya i Karbidizatsii Dioksida Tsirkoniya Prirodnym Gazom v Usloviyakh Plazmennogo Potoka. Teoriya i Tekhnologiya Metallurgicheskogo Proizvodstva. 2020;4:4—9. (in Russian).
9. Hongtao Li e. a. Synthesis of Metal and Nitrogen Co-doped Activated Carbon Catalysts for the Co-production of Monocyclic Aromatics and Hydrogen-Rich Gas from the Pyrolysis of Biomass and Plastic. Energy. 2025;316:134652.
10. Rudy W., Teodorczyk A., Wen J. Self-ignition of Hydrogen-nitrogen Mixtures During High-pressure Release into Air. Intern. J. Hydrogen Energy. 2015;42:7340—7352.
11. Chenglong Tang e. a. Explosion Characteristics of Hydrogen–nitrogen–air Mixtures at Elevated Pressures and Temperatures. Intern. J. Hydrogen Energy. 2009;34:554—561.
12. Qiyang Sun e. a. Combustion and Emission Characteristics of an Ammonia-hydrogen Engine Using Hydrogen-nitrogen Jet Ignition. Energy. 2025;328(1):136544.
13. Esipov R.S. Razrabotka Tekhnologii Nizkotemperaturnogo Ionnogo Azotirovaniya Staley 12Kh18N10T i 13Kh11N2V2MF-Sh s Ul'tramelkozernistoy Strukturoy: Diss. … Kand. Tekh. Nauk. M.: Moskovskiy Aviatsionnyy Institut, 2019. (in Russian).
14. Pat № 2193520 RF. Protsess Proizvodstva Zashchitnoy Azotovodorodnoy Atmosfery. Ivanov E.G. i dr. Byul. Izobret. 2002;33. (in Russian).
15. Pat № 2828861 RF. Sposob Proizvodstva Azotno-vodorodnoy Smesi dlya Sinteza Ammiaka Putem Chastichnogo Okisleniya Vodoroda Vozdukhom. Adoevskiy A.V., Fal'man A.G. Byul. Izobret. 2024;30. (in Russian).
16. Chernousov P.I., Golubev O.V., Myasoedov S.V., Uzunova A.N. Issledovanie Vliyaniya Vlazhnosti Dut'ya na Pokazateli Vosstanovitel'nykh Protsessov Domennoy Plavki. Chernye Metally. 2024;7:38—44. (in Russian).
17. Valueva E.P., Sviridov V.G. Vvedenie v Mekhaniku Zhidkosti. M.: Izd-vo MEI, 2001. (in Russian).
18. Dergunov I.M. Sidorov A.A. Osnovy Modelirovaniya Gidrogazodinamiki i Teploobmena v Nizkotemperaturnykh Ustroystvakh v Programme Ansys Fluent. M.: Izd-vo MEI, 2023. (in Russian).
19. Murav'ev A.V. i dr. Gidrodinamika i Teploobmen v Zmeevikovoy Trubke s Zakruchennym Turbulizatorom i Vneshnim Orebreniem. Vestnik MEI, 2025;1:67—75. (in Russian).
20. Sidorov A.A., Yastrebov A.K. Metodika Opredeleniya Kharakteristik Radial'nogo Turbodetandera dlya Smesevykh Rabochikh Tel na Neraschetnykh Rezhimakh. Teploenergetika. 2024;4:5—18. (in Russian)
----
For citation: Perederiy D.A., Puzina Yu.Yu. Numerical Simulation of Gas Dynamics and Mass Transfer in a Nitrogen Shielding Gas Preparation Chamber. Bulletin of MPEI. 2026;2:86—93. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2026-2-86-93
---
Conflict of interests: the authors declare no conflict of interest
