В связи с техническими работами в центре обработки данных, часть прикреплённых файлов в настоящее время недоступна.
 
скрыть

РФФИ 14-01-00742: Многомерные эффекты при детонации в сверхзвуковых потоках и ограниченных объемах горючих смесей газовНИР

Multidimensional effects for detonation in supersonic flows and bounded volumes of combustible gas mixtures

Соисполнители НИР

Российский фонд фундаментальных исследований Координатор

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2014 г.-31 декабря 2014 г. Многомерные эффекты при детонации в сверхзвуковых потоках и ограниченных объемах горючих смесей газов. Этап 1.
Результаты этапа: 1. Продолжена работа над созданием оригинального комплекса программ для численного моделирования в рамках уравнений Эйлера процессов детонации в газообразных смесях углеводородных топлив с окислителем. Отработана технология быстрой подготовки и запуска расчетов для трехмерных нестационарных задач, обеспечивающая равномерную загрузку процессоров на многопроцессорных кластерах (суперкомпьютерах), а также процедура визуализации результатов расчетов, представляющих собой большие массивы выходных данных. 2. С использованием оригинального комплекса программ численно исследовано формирование детонации при втекании в канал с уступом сверхзвукового потока однородной и неоднородной в радиальном направлении горючей газовой смеси. Определены условия развития режима галопирующей слоистой детонации для трехмерной конфигурации: канала прямоугольного сечения с уступом цилиндрической формы. 3. С использованием оригинального комплекса программ исследованы особенности формирования детонации в потоке горючей газовой смеси в цилиндрическом канале круглого сечения, внутри которого по центру расположен неподвижный стержень с серией из семи прикрепленных лопаток сложной пространственной формы. Определены условия реализации различных режимов детонации и режима запирания канала. 4. С использованием оригинального комплекса программ исследована пространственная трехмерная структура ячеистой и спиновой детонации в каналах круглого поперечного сечения. В расчетах зафиксировано спонтанное формирование трехмерных структур, которое происходит за счет развития неустойчивости при инициировании детонации плоской ударной волной у закрытого торца канала. Определены условия реализации ячеистой и спиновой детонации в зависимости от диаметра канала. 5. С использованием многостадийной кинетики химического взаимодействия в рамках уравнений Эйлера численно исследовано формирование детонации в стехиометрической водородно-воздушной смеси, поступающей в плоский профилированный канал со сверхзвуковой скоростью. Определены условия, обеспечивающие стабилизацию заранее сформированной детонационной волны в канале переменного сечения с сужением без затрат энергии. Для некоторых значений числа Маха потока предложен способ определения формы канала, в котором без подвода энергии происходит инициирование и стабилизация детонации. 6. Продолжено экспериментальное исследование модели тягового модуля авиационного двигателя оригинальной компактной конструкции, состоящего из кольцевого щелевого сопла и резонаторной полости полусферической формы, в которой обеспечивается формирование авторегулируемого газового центрального тела. В экспериментах исследовано влияние размера критического сечения кольцевого сопла на его тяговые характеристики. Подтверждена корректность оригинальной методики измерений тяги кольцевого сопла с внутренней полостью в импульсной аэродинамической установке за времена порядка 10 мс. 7. В рамках уравнений Навье-Стокса проведено численное исследование характеристик тягового устройства с кольцевым соплом при продувках воздухом для ламинарных режимов течения. Впервые в расчетах обнаружены режимы течений, при которых стартовые возмущения, сопровождающие запуск кольцевого сопла, не затухают, а переходят в квазипериодический режим. Определены частотный Фурье спектр пульсаций давления в центре тяговой стенки дефлектора и величина тяги сопла.
2 1 января 2015 г.-31 декабря 2015 г. Многомерные эффекты при детонации в сверхзвуковых потоках и ограниченных объемах горючих смесей газов. Этап 2.
Результаты этапа: 1. Газовая детонация в высокоскоростных потоках. В рамках детального кинетического механизма химического взаимодействия численно исследовано формирование детонационной волны в стехиометрической водородно-воздушной смеси, поступающей со сверхзвуковой скоростью в плоский канал. Предложен способ стабилизации детонационной волны без дополнительного подвода энергии в канале специальной формы, одна из стенок которого имеет вид затупленного препятствия заранее заданной формы, а форма другой определяется как линия тока при стационарном обтекании данного препятствия. Установлено, что несмотря на развитие поперечных колебаний в канале, обусловленных ячеистой структурой детонации, при определенных условиях положение детонационной волны остается устойчивым по отношению даже к нелинейным возмущениям конечной амплитуды. Определены условия срыва стабилизации детонационной волны, показана возможность перемещения положения стабилизированной волны детонации вниз по потоку в рассматриваемом канале при увеличении числа Маха входящего потока. 2. Газовая детонация в каналах сложной формы и в камерах сгорания. С использованием оригинального комплекса программ на суперкомпьютере «Ломоносов» проведено численное моделирование для широкого класса задач трехмерных нестационарных задач газовой детонации. Определены условия реализации режима галопирующей слоистой детонации для трехмерной конфигурации: канала прямо-угольного сечения с уступом цилиндрической формы. Выполнен анализ формирования детонации в потоке горючей газовой смеси в канале винтовой формы с эллиптическим сечением, в канале переменного квадратного сечения, а также в цилиндрическом канале круглого сечения, внутри которого расположен неподвижный стержень сложной винтовой формы. Изучен процесс спонтанного формирования пространственной трехмерной структуры ячеистой и спиновой детонации в каналах круглого поперечного сечения при инициировании детонации плоской ударной волной у закрытого торца канала. 3. Теоретико-экспериментальное исследование модели тягового модуля оригинальной компактной конструкции. Выполнены эксперименты по продувке осесимметричной кольцевого сопла с условным диаметром выхлопа 70 мм воздухом комнатной температуры при значении критического сечения кольцевого сопла 2.1 мм и высокотемпературными продуктами сгорания ацетилено-воздушных смесей при значении критического сечения кольцевого сопла 0.8 мм. Получены новые экспериментальные данные по временным зависимостям величин силы тяги и давления в характерных точках проточного канала, необходимые для верификации расчетных моделей, и дающие возможность оценить влияние изменения величины горловины сопла на тяговые характеристики соплового устройства. Экспериментально обнаружены и исследованы незатухающие квазипериодические режимы течений воздуха, сопровождаемые пульсациями давления на поверхности тяговой стенки кольцевого сопла с внутренним дефлектором в виде сферического сегмента. Установлено, что амплитуды колебаний давления существенно возрастают с увеличением температуры торможения вдуваемого воздуха. Измерена частота пульсаций. На основе уравнений Эйлера проведено численное моделирование истечения воздуха из кольцевого сопла с диаметром 70 мм и величиной критического сечения 4.4 мм. Исследовано формирующееся течение для различных значений температуры торможения, давления торможения и давления воздуха в пространстве истечения. Выявлены различные режимы течения, включая режим стационарного истечения, режим истечения с экспоненциальным затуханием периодических колебаний и режим с колебаниями постоянной амплитуды. Определена частота колебаний, получены нестационарные поля параметров потока и зависимости от времени характеристик тягового модуля в центре тяговой стенки. Предложена численная модель нестационарного ламинарного течения в тяговом устройстве с кольцевым соплом, работающем на продуктах сгорания ацетилена в воз-духе. На основе разработанной модели проведено исследование развития в устройстве стартовых возмущений для условий проведения экспериментов на импульсном аэродинамическом стенде Института механики МГУ. Аналогично экспериментам в расчетах получен переход стартового возмущения в квазипериодический колебательный режим течения с параметрами, близкими к зафиксированным в экспериментах. 4. Термо- и газодинамический анализ условий воспламенения газовых смесей. Экспериментально исследованы условия воспламенения и горения метановоздушных смесей с добавками водорода, ацетилена и бутана. Определены нижние концентрационные пределы воспламенения и времена сгорания смесей в сферической камере с инициированием воспламенения взрывом проволочки в центре. Проведен анализ полученных значений концентрационных пределов воспламенения с использованием правила А. Ле Шателье. По результатам измерений получены величины нормальной скорости распространения пламени в околокритических по концентрациям компонентов режимах.
3 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. Многомерные эффекты при детонации в сверхзвуковых потоках и ограниченных объемах горючих смесей газов. Этап 3.
Результаты этапа: 1. С использованием детальной кинетики химического взаимодействия в рамках уравнений Эйлера численно исследовано формирование детонации в стехиометрической водородно-воздушной смеси, поступающей в плоский профилированный канал со сверхзвуковой скоростью, превышающей скорость распространения самоподдерживающейся детонации. Предложен способ определения формы плоского канала в котором реализуется стабилизация детонационной волны, исследована структура квазистационарной детонационной волны, обнаружен эффект генерации поперечных ударных волн. Установлена возможность эффективного извлечения тяги в плоском симметричном канале с пережатием и интегрированным соплом при условии стабилизации детонационной волны. 2. С использованием оригинального комплекса программ на суперкомпьютере «Ломоносов» проведено численное моделирование для широкого класса трехмерных нестационарных задач газовой детонации в стехиометрической пропановоздушной смеси. Определены условия реализации режима галопирующей слоистой детонации для трехмерной конфигурации: канала прямоугольного сечения с уступом цилиндрической формы. Выполнен анализ формирования детонации в потоке горючей газовой смеси в канале винтовой формы с эллиптическим сечением, в канале переменного квадратного сечения, а также в цилиндрическом канале круглого сечения, внутри которого расположен неподвижный стержень сложной винтовой формы. Исследована пространственная трехмерная структура ячеистой и спиновой детонации в каналах круглого поперечного сечения. Определены критические условия самоинициирования детонации в сверхзвуковом потоке для плоского канала с изгибом. 3. Выполнено экспериментальное исследование модели тягового модуля авиационного двигателя оригинальной компактной конструкции, состоящего из кольцевого щелевого сопла и резонаторной полости полусферической формы, в которой обеспечивается формирование авторегулируемого газового центрального тела. В экспериментах исследовано влияние размера критического сечения кольцевого сопла на его тяговые характеристики. Экспериментально обнаружены и исследованы незатухающие квазипериодические режимы течений воздуха, сопровождаемые пульсациями давления на поверхности тяговой стенки кольцевого сопла с внутренним дефлектором в виде сферического сегмента. 4. В рамках уравнений Навье-Стокса проведено численное исследование характеристик тягового устройства с кольцевым соплом при продувках воздухом и продуктами сгорания ацетилена в воздухе для ламинарных режимов течения. Обнаружены режимы течений, при которых стартовые возмущения, сопровождающие запуск кольцевого сопла, не затухают, а переходят в квазипериодический режим. Определены частотный Фурье спектр пульсаций давления в центре тяговой стенки дефлектора и величина тяги сопла. 5. Экспериментально и теоретически исследованы условия воспламенения и горения метано-воздушных смесей с добавками водорода, ацетилена и бутана. Определены нижние концентрационные пределы воспламенения и времена сгорания смесей в сферической камере с инициированием воспламенения взрывом проволочки в центре. Проведен анализ полученных ранее значений концентрационных пределов распространения пламени в метановоздушных смесях с добавками на основе правила А. Ле Шателье с альтернативными наборами констант. 6. Освоен вычислительный пакет ANSYS в приложении к различным задачам газовой динамики со сверхзвуковыми течениями. В рамках уравнений Эйлера и осредненных уравнений Навье-Стокса с различными моделями турбулентности решена задача о течении в осесимметричном воздухозаборнике прямоточного воздушно-реактивного двигателя при числах Маха от 2,5 до 5.

Прикрепленные к НИР результаты

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".