ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
|
Интеллектуальная Система Тематического Исследования НАукометрических данных |
||
Цель фундаментального исследования - разработка, тестирование и верификация суперкомпьютерной модели для описания неравновесных волновых процессов в химически-реагирующих многофазных средах и на ее основе исследование особенностей переходных процессов, а именно: установления детонационного режима, а также его расщепления на ударную волну и следующую за ней волну дефлаграции.
The purpose of the fundamental research is to develop, test and verify a supercomputer model for the description of nonequilibrium wave processes in chemically reacting multiphase media, and on its basis to study the features of transition processes, namely: the establishment of the detonation regime, as well as its splitting into a shock wave and the next wave of deflagration. The relevance of fundamental research is determined by the need to solve two problems of the opposite direction. 1. Problems explosion safety, which stay in the organization of effective preventive measures, aimed at achieving two goals: preventing transition from deflagration to detonation in the case of ignition of the combustible mixture, as well as the suppression of a detonation wave in the case of its occurrence. Knowledge of the control mechanisms for these transition processes is necessary in assessing the environmental impact of the destruction of tanks with combustible components and the subsequent ignition of the fuel-air mixture and the development of the explosion. 2. The use of detonation mode of combustion of fuel-air mixtures can be more effective for the development of a new generation of engines. Opportunities to improve chemical rocket engines of traditional types or turbojet engines are almost completely exhausted and limited by a slight improvement in energy and mass characteristics. A qualitative step forward in the development of the engine industry can be achieved through the development and introduction of fundamentally new types of engines. Promising areas of research for the creation of new types of engines - is the use of rapid combustion modes, namely, detonation; the advantage of this mode is a significant fuel economy due to the higher thermodynamic efficiency of detonation combustion and low yield of harmful substances. Since the majority of fuel mixtures are multi-phase in which fuel and oxidizer are in different phases and not pre-mixed, the role of predictive computational modeling and process control of the onset of detonation in heterogeneous multiphase chemical reactions based on turbulent mixing is very high.
1. Будет произведена разработка физико-математической модели для описания неравновесных волновых процессов, протекающих в многофазных химически реагирующих системах с экзотермическими реакциями. Модель должна учитывать возможность присутствия различных химических компонентов в каждой из фаз. 2. Осуществлено создание алгоритмической вычислительной модели решения определяющей системы дифференциальных уравнений для каждой из фаз с учетом сцепления моделей при описании межфазных взаимодействий. 3. Реализовано составление вычислительного кода на основании выбранного алгоритма распараллеливания вычислений. 4. Проведено тестирование вычислительного кода на различных режимах работы в заданном диапазоне изменения определяющих параметров задачи. Выделение области определяющих параметров, в которой код работает устойчиво и без сбоев. 5. Проведена верификация созданной вычислительной модели на предмет адекватности нахождения решений определяющей системы дифференциальных уравнений. Составление верификационного базиса точных решений. Сравнение полученных результатов решений тестовых задач с данными верификационного базиса. 6. Проведена валидация разработанной физической и математической моделей на предмет адекватности описания ими исследуемых физико-химических процессов. Составление базиса экспериментальных данных. Сравнение результатов модельных расчетов с экспериментальными данными. Настройка параметров модели для получения удовлетворительного согласия расчетных и экспериментальных данных. 7. Проведено исследование зависимости результатов расчетов от размеров расчетных ячеек. Выделение минимального размера ячейки, начиная с которого решение не зависит от размеров ячейки по искомым функциям. 8. Получены оценки накопления ошибок округления на каждом временном слое при решении нестационарных задач. Определены накопления кумулятивной стохастической ошибки, а также интервала времени, по истечении которого накопленная ошибка превысит допустимый предел (интервал надежности прогноза). 9. Проведено вычислительное моделирование задач распространения горения и перехода горения в детонацию в моно- и полидисперсных аэровзвесях конденсированного горючего и газообразного окислителя. Проведено исследование зависимости переходных процессов от значений определяющих параметров и функции распределения частиц по размерам. 10. Определено влияние неоднородности состава смеси на установление или разрушение детонационной волны.
Можно выделить следующие наиболее важные результаты, полученные коллективом, которые найдут применение в данном проекте: - Впервые экспериментально обнаружено и теоретически обосновано существование пяти различных сценариев перехода горения в детонацию в газообразных смесях углеводородных горючих с воздухом, только два из которых соответствовали известным ранее представлениям о переходе горения в детонацию. - Разработана теоретическая модель перехода горения в детонацию в гомогенных газовых горючих смесях, описывающая все характерные стадии процесса: зажигание, ускоряющееся турбулентное горение, образование горячих точек перед фронтом пламени, возникновение детонационных и ретонационных волн, пересжатые режимы и выход на самоподдерживающуюся детонацию. - Теоретически исследованы структура зоны за искривленной детонационной волной, которая оказывает влияние на распространение волны. ...
грант РФФИ |
# | Сроки | Название |
1 | 20 февраля 2020 г.-31 декабря 2020 г. | Модели неравновесных волновых процессов в химически реагирующих многофазных средах: установление детонационных режимов (этап 1, 2020 год) |
Результаты этапа: Цель фундаментального исследования - разработка, тестирование и верификация суперкомпьютерной модели для описания неравновесных волновых процессов в химически-реагирующих многофазных средах и на ее основе исследование особенностей переходных процессов, а именно: установления детонационного режима, а также его расщепления на ударную волну и следующую за ней волну дефлаграции. Под режимами дефлаграции и детонации в широком смысле будем подразумевать распространение самоподдерживающихся экзотермических волн в среде, когда различие механизмов распространения приводит к существенным различиям структуры волн, дозвуковой и сверхзвуковой скоростям их распространения (горение и взрыв, термоядерные реакции при образовании сверхновых звезд, , а также волны вскипания перегретых жидкостей, в которых запасенная тепловая энергия перегрева трансформируется в энергию сжатого пара). В узком смысле к этим режимам относятся волны горения и детонации в горючих смесях, экзотермический характер которых обусловлен энерговыделением при химических реакциях. При этом волны дефлаграции характеризуются дозвуковой скоростью распространения и увеличением удельного объема продуктов реакции после прохождения волны, в то время как волны детонации характеризуются сверхзвуковой скоростью распространения и уменьшением удельного объема продуктов реакции после прохождения волны. Механизм распространения дефлаграции - нагрев и активация не прореагировавшей горючей смеси в результате процессов переноса (теплопередачи, диффузии,...), а механизм распространения детонации - нагрев и активация горючей смеси за бегущей по ней ударной волной. В рамках выполнения общего плана реализации проекта в 2020 году получены следующие результаты. 1. Разработана физико-математическая модель для описания неравновесных волновых процессов, протекающих в многофазных химически реагирующих системах с экзотермическими реакциями. Модель включает возможность присутствия нескольких фаз в потоке, а также различных химических компонентов в каждой из фаз. Модель включает блок-модели неравновесных фазовых переходов конденсированных частиц в газовую фазу, турбулентного перемешивания и химических реакций, дробление капель жидкой конденсированной фазы при взаимодействии с потоком несущей газообразной фазы, модели межфазного обмена энергией и импульсом [1]. 2. Созданы алгоритмическая и вычислительная модели решения определяющей системы дифференциальных уравнений для каждой из фаз с учетом сцепления моделей при описании межфазных взаимодействий. В качестве вычислительных схем использованы две различные численные схемы сквозного счета: а) Явная схема 2-го порядка точности по пространству и времени на основе MUSCL-интерполяции переменных на грань при расчете конвективных потоков. Для выбора направления интерполяции и для интерполяции давления применяется метод AUSMP. Схема реализована на регулярной сетке из одинаковых элементов (прямоугольных параллелепипедов), состыковывающихся в произвольной, в общем случае, топологии. Текст программы на языке программирования C. Параллельность исполнения - метод OpenMP. б) Явная схема 2-го порядка точности по пространству и 2-го по времени на основе схемы Курганова – Тадмора. Использовалание регулярной сетки, состоящей из прямоугольных параллелепипедов. Программа написана на языке CUDA, для ЭВМ гибридной архитектуры [2]. 3. Составлен вычислительный код на основании выбранного алгоритма распараллеливания вычислений. Проведены тестовые расчеты с целью сравнения результатов для различных значений определяющих параметров задачи и физико-химических свойств горючей смеси. Проанализированы результаты теоретических, численных и экспериментальных исследований процессов горения и инициирования детонации в гетерогенных полидисперсных смесях. Подробно рассматриваются проблемы распыления, испарения и горения капель топлива, а также неравновесные эффекты при распылении капель и фазовых переходах. Исследовано влияние неравномерности размеров капель и неравномерности пространственного распределения на воспламенение смеси и ускорение пламени при сильном и слабом инициировании детонации: ударной волной и искровым зажиганием с последующим дефлаграционным переходом в детонацию (ДДТ). Исследованы особенности струйного впрыска и воспламенения в реакционной камере [3]. Исследование поведения отдельных капель в нагретом воздушном потоке позволило выделить два сценария нагрева и испарения капель. Мелкие капельки последовательно нагреваются, затем охлаждаются за счет потерь тепла на испарение, а затем быстро нагреваются до конца своего срока службы. Более крупные капли могут непосредственно нагреваться до критической температуры, а затем быстро испаряться. Распыление капель мешает сценарию нагрева и испарения. Исследование сильного воспламенения капельного облака ударной волной показало, что увеличение концентрации капель выше определенного значения тормозит начало детонации в дисперсных смесях и порождает детонационный режим, характерный для несмешанных систем, когда химическая реакция протекает только в тонком пограничном слое облака, поддерживая тем самым распространение ударной волны в чистом газе [4]. Основные результаты исследований опубликованы в следующих изданиях: [1] 2020 Macro kinetics for combustion in non-uniform dispersed fuel-air mixtures Smirnov Nickolay N., Nikitin Valeriy F., Stamov Lyuben V., Tyurenkova Veronika V. в журнале AIP Conference Proceedings, том 2304, с. 020007-1-020007-8 DOI https://doi.org/10.1063/5.0034466 [2] 2021 Poly-dispersed droplets in streaming flows: atomization, evaporation, combustion Smirnov N.N. Lecture Notes in Mechanical Engineering, vol/ II Proc. XLVIII International Conference “Advanced Problems in Mechanics”. APM ONLINE 2020. [3] 2020 Возникновение детонации в полидисперсных аэровзвесях Смирнов Н.Н. в сборнике Тезисы XV Всероссийского симпозиума по горению и взрыву, место издания Научный совет РАН по горению и взрыву, г. Москва, том 1, тезисы, с. 17-18 редакторы Салганский Е.А., Султанов В.Г. [4] 2020 Модели неравновесных волновых процессов в химически реагирующих многофазных средах: установление детонационных режимов Душин В.Р., Никитин В.Ф., Смирнов Н.Н., Тюренкова В.В. в сборнике Ломоносовские чтения 2020. Секция механики. Тезисы докладов, серия Механика, место издания Издательство Московского университета Москва, тезисы, с. 82-83 | ||
2 | 25 марта 2021 г.-28 декабря 2021 г. | Модели неравновесных волновых процессов в химически реагирующих многофазных средах: установление детонационных режимов (этап 2, 2021 год) |
Результаты этапа: В рамках выполнения проекта разработана вычислительная модель неравновесных волновых процессов в химически реагирующих многофазных смесях горючего и окислителя. Модель включает блок-модели неравновесных фазовых переходов конденсированных частиц в газовую фазу, турбулентного перемешивания и химических реакций, дробление капель жидкой конденсированной фазы при взаимодействии с потоком несущей газообразной фазы, модели межфазного обмена энергией и импульсом. Выполнены следующие работы: 1. Проведено тестирование вычислительного кода на различных режимах работы в заданном диапазоне изменения определяющих параметров задачи. Выделение области определяющих параметров, в которой код работает устойчиво и без сбоев. Осуществлена разработка, тестирование и верификация суперкомпьютерной модели для описания неравновесных волновых процессов в химически-реагирующих многофазных средах и на ее основе исследование особенностей переходных процессов, а именно: установления детонационного режима, а также его расщепления на ударную волну и следующую за ней волну дефлаграции [1]. 2. Верификация созданной вычислительной модели на предмет адекватности нахождения решений определяющей системы дифференциальных уравнений. Составление верификационного базиса точных решений. Сравнение полученных результатов решений тестовых задач с данными верификационного базиса. Основными проблемами, возникающими в процессе моделирования, являются: а) многомасштабность, не позволяющая проводить моделирование всех задействованных процессов на единых даже масштабируемых сетках; б) жесткость и большая размерность системы дифференциальных уравнений для описания химической кинетики, решение которой может занимать 80% процессорного времени. Авторами выполнен обзор уже проведенных исследований и анализ трудностей, с которыми столкнулись исследователи. Выработаны новые предложения по преодолению вычислительных трудностей и намечены пути их реализации. Возможность решения проблем в части многомасштабности видится в применении подходов многоуровневого моделирования, при котором детальное решение задачи более мелкого масштаба обрабатывается и вносится в качестве элемента модели более крупного масштаба. Для решения проблемы сокращения времени интегрирования уравнений многостадийной химической кинетики актуальным трендом является применение нейросетевых подходов и методов в рамках разрабатываемых вычислительных моделей. [2] 3. Проведена валидация разработанной физической и математической моделей на предмет адекватности описания ими исследуемых физико-химических процессов. Составление базиса экспериментальных данных. Сравнение результатов модельных расчетов с экспериментальными данными. Настройка параметров модели для получения удовлетворительного согласия расчетных и экспериментальных данных. [3-6] [1] 2021 Вычислительное моделирование течений полидисперсных газокапельных смесей с химическим превращениями // Смирнов Н.Н., Тюренкова В.В., Стамов Л.И., Хадем Дж в журнале Успехи кибернетики, издательство Научно-исследовательский институт системных исследований РАН (Москва), том 2, № 2, с. 29-41 [2] 2021 Цифровые модели для решения многомасштабных задач горения Смирнов Н.Н., Тюренкова В.В., Никитин В.Ф. в журнале Успехи кибернетики, издательство Научно-исследовательский институт системных исследований РАН (Москва), том 2, № 4, с. 30-41 DOI [3] 2021 Multi-phase combustion in weightlessness Smirnov Nickolay N., Tyurenkova Veronika V., Smirnova Mariya N., Nikitin Valeriy F., Malishevsky Daniil D. в сборнике Proceedings of 72nd International Astronautical Congress (IAC), Dubai, United Arab Emirates, 25-29 October 2021, с. IAC-21,A2,4,1,x65625 [4] 2021 Модели горения и перехода горения в детонацию в химически реагирующих многофазных средах Смирнов Н.Н., Стамов Л.И., Тюренкова В.В., Филиппов Ю.Г. в сборнике Ломоносовские чтения. Научная конференция. Секция механики. 20–26 апреля 2021 года. Тезисы докладов, место издания Издательство Московского университета Москва, тезисы, с. 195-196 [5] 2021 Суперкомпьютерное моделирование горения и взрыва полидисперсных смесей: проблемы и пути их решения Смирнов Н.Н., Тюренкова В.В., Никитин В.Ф. в сборнике Горение топлива: теория, эксперимент, приложения: Сб. тезисов докладов ХI Всерос. конф. с междунар. участием, Новосибирск, 9–12 ноября 2021 г, издательство Ин-т теплофизики СО РАН (Новосибирск), тезисы, с. 13-14 [6] 2021 Computational Modeling of Multiscale Combustion Processes: Problems and Solutions Smirnov N.N. в сборнике Материалы международной конференции «Математические идеи П. Л. Чебышёва и их приложения к современным проблемам естествознания», приуроченной к 200-летию со дня рождения великого русского математика, академика П. Л. Чебышёва, место издания Калужский печатный двор Калуга, тезисы, с. 50-51 По итогам выполнения НИР участники проекта Стамов Любен Иванович и Тюренкова Вероника Валерьевна защитили диссертации на соискание ученых степеней Кандидатов Физико-математических наук. | ||
3 | 25 марта 2022 г.-31 декабря 2022 г. | Модели неравновесных волновых процессов в химически реагирующих многофазных средах: установление детонационных режимов (этап 3, 2022 год) |
Результаты этапа: |
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".