![]() |
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
Интеллектуальная Система Тематического Исследования НАукометрических данных |
||
Пространственные течения реагирующих газовых смесей в центре внимания специалистов всего мира в связи с новыми возможностями экспериментального и теоретического исследования быстропротекающих процессов, в частности, с использованием суперкомпьютеров. Проводимые исследования позволяют получить новые данные и расширить представления о реальной природе и свойствах течений с волнами химических превращений, а также предложить методы управления процессами применительно к проблемам экологии, взрывобезопасности и разработки перспективных энергоустановок. В проекте исследуются пространственные течения реагирующих газовых смесей с волнами детонации, формирующиеся в каналах сложной формы, моделирующих экспериментальные установки и камеры сгорания для высокоскоростного сжигания газообразных топлив в перспективных реактивных двигателях и энергоустановках различного назначения, а также рассматриваются новые механизмы разрушения и восстановления детонационного горения в газовых смесях. Изучение проводится методом вычислительного эксперимента на оригинальных программных комплексах, предназначенных для расчетов многомерных течений инертных и реагирующих смесей газов на персональных компьютерах и многопроцессорных вычислительных системах петафлопсного диапазона, таких, как «Ломоносов». В численных алгоритмах, основанных на схеме С.К. Годунова, реализованы уравнения для идеальных и вязких газов, а также одностадийные и многостадийные кинетики химических реакций водородных и углеводородных горючих смесей. В двумерных и трехмерных оригинальных постановках рассматривается ряд фундаментальных задач: - инициирование, распространение, срыв и восстановление детонационного горения покоящихся в каналах газовых смесей; - инициирование и распространение галопирующей слоистой 2D и 3D детонации в цилиндрических каналах; - формирование и устойчивость спиновой детонации в каналах различного поперечного сечения; - инициирование, стабилизация и устойчивость вращающейся детонации; - течения инертных и горючих смесей в выходном устройстве реактивного двигателя с кольцевым соплом и резонаторной полостью; - распространение пламени в метановоздушных смесях с углеводородными добавками в качестве одного из альтернативных керосину авиационных топлив (криогенный метан, получаемый из природного газа); - процесс воспламенения, условия горения и пределы воспламенения как чистых метановоздушных смесей, так и смесей с добавками водорода, ацетилена и бутана в качестве промоторов. В распоряжении авторского коллектива имеется уникальный экспериментальный стенд НИИ механики МГУ, персональные компьютеры и суперкомпьютер МГУ «Ломоносов». В результате выполнения проекта будут получены новые фундаментальные знания о многомерной детонации, которые будут полезными при разработке камер сгорания эффективных энергоустановок, малогабаритных сопловых устройств, а также способов предотвращения и подавления взрывов горючих смесей газов.
Spatial flows of reacting gas mixtures are at the center of attention of specialists around the world in connection with new possibilities of experimental and theoretical research of fast processes, in particular, using supercomputers. The research allows to obtain new data and to expand the understanding of the real nature and properties of the currents with the waves of chemical transformations, as well as to offer methods of managing the processes in relation to the problems of ecology, explosion safety and the development of perspective power plants. The project investigates the spatial flows of reacting gas mixtures with detonation waves that form in channels of complex shape simulating experimental installations and combustion chambers for high-speed combustion of gaseous fuels in promising jet engines and power installations for various purposes, and also considers new mechanisms for the destruction and restoration of detonation combustion in gas mixtures. The study is carried out by the method of computational experiment on original software complexes intended for the calculation of multidimensional flows of inert and reactive gas mixtures on personal computers and multiprocessor petaflop computing systems such as Lomonosov. In numerical algorithms based on the SK scheme. Godunov equations are realized for ideal and viscous gases, as well as single-stage and multistage kinetics of chemical reactions of hydrogen and hydrocarbon combustible mixtures. Two-dimensional and three-dimensional original productions consider a number of fundamental problems: - initiation, propagation, detonation and restoration of detonation burning of resting in the channels of gas mixtures; - initiation and propagation of galloping layered 2D and 3D detonation in cylindrical channels; - formation and stability of spin detonation in channels of different cross sections; - formation and stability of spin detonation in channels of different cross sections; - initiation, stabilization and stability of rotating detonation; - flows of inert and combustible mixtures in the output device of a jet engine with an annular nozzle and a cavity cavity; - flame propagation in methane-air mixtures with hydrocarbon additives as one of aviation fuel alternatives to kerosene (cryogenic methane, obtained from natural gas); - process of ignition, burning conditions and ignition limits of both pure methane-air mixtures and mixtures with additives of hydrogen, acetylene and butane as promoters. At the disposal of the authors there is a unique experimental stand of the Institute of Mechanics of Moscow State University, personal computers and the supercomputer of the Moscow State University "Lomonosov".
Планируемые в проекте работы являются оригинальными, не имеют аналогов в России и за рубежом. Они находятся на переднем фронте исследований, связанных с фундаментальными проблемами теории горения и детонации, а также с прикладными вопросами управления и повышения эффективности сжигания топлив в энергоустановках широкого спектра назначения. Впервые будет исследован в двумерных и трехмерных постановках широкий круг вопросов, связанных с инициированием и стабилизацией детонационного горения в каналах и ограниченных объемах, а также с эффективным использованием энергии продуктов сгорания в сопловом устройстве оригинальной конструкции: - инициирование и распространение детонационных волн в загроможденных каналах различной формы, заполненных покоящейся горючей газовой смесью. Изучение влияния расположенных в канале препятствий и формы канала на распространение волны. Определение условий инициирования и гашения детонационного горения, выявление механизмов, предотвращающих восстановление волн детонации; - инициирование и распространение галопирующей слоистой 2D и 3D детонации в цилиндрических каналах. Определение условий ее формирования в зависимости от формы поперечного сечения на входе в канал сверхзвукового потока, размера и формы инициирующего детонацию препятствия, а также параметров потока слоя горючей смеси (ее состава, формы и рамера); - формирование и устойчивость спиновой детонации в каналах различного поперечного сечения. Определение условий реализации спина и его устойчивости при изменениях размера и формы поперечного сечения канала в однородной и неоднородной горючей смеси с различной концентрацией горючего; - инициирование, стабилизация и устойчивость вращающейся детонации. Данные о величине критической энергии прямого инициирования, о параметрах потока горючей смеси, при которых в зазоре между коаксиальными цилиндрами реализуется самоподдерживающийся процесс, устойчивый к изменениям параметров торможения. - течения в выходном устройстве реактивного двигателя с кольцевым соплом и резонаторной полостью. Данные расчетно- экспериментальных исследований тяги и спектральных характеристик сигналов пульсаций давления газа на тяговой стенке дефлектора кольцевого сопла в нестационарных квазипериодических режимах течения при его продувках высокотемпературными продуктами сгорания стехиометрических ацетилено-воздушных смесей, холодным воздухом и высокотемпературными продуктами сгорания стехиометрических водородно-воздушных смесей; - распространение пламени в метановоздушных смесях с углеводородными добавками в качестве одного из альтернативных керосину авиационных топлив (криогенный метан, получаемый из природного газа). Данные экспериментального исследования критических условий распространения пламени в бинарных и трехкомпонентных смесях горючих газов в воздухе, а также результаты анализа значений концентрационных пределов распространения пламени в указанных смесях по правилу А. Ле Шателье с различными наборами определяющих констант. Рассчитанные зависимости времени задержки воспламенения (времени индукции) метанововоздушных смесей от определяющих параметров в широком диапазоне температур, давлений и начального состава смесей. Расчетные данные о характер процесса воспламенения метановоздушных смесей и смесей с добавками промотора вблизи нижнего и верхнего порога воспламенения. В результате выполнения проекта будут получены новые фундаментальные знания о многомерной детонации, которые могут быть использованы при разработке камер сгорания эффективных энергоустановок, малогабаритных сопловых устройств, а также способов предотвращения и подавления.
Авторский коллектив имеет большой опыт исследований по проблемам горения и детонации с использованием как аналитических, так и численных методов. Более 40 лет сотрудниками НИИ механики МГУ и Математического института им. В.А. Стеклова проводились совместные пионерские исследования и были получены уникальные результаты мирового уровня. В связи с потребностями практики особый упор в последние годы был сделан на изучение процессов формирования и стабилизации высокоскоростного горения применительно к камерам сгорания перспективных энергетических установок. Разработаны вычислительные программы различной степени сложности, позволившие реализовать постановки задач об инициировании горения и детонации в одномерном и многомерном подходах. Среди них - оригинальный программный комплекс с графическим интерфейсом для расчетов одномерных, двумерных и трехмерных течений инертных и реагирующих газовых смесей в каналах, трубах и камерах сгорания сложной геометрии.
грант РФФИ |
# | Сроки | Название |
1 | 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. | РФФИ 18-01-00883 Горение и детонация в каналах и ограниченных объемах. Этап 1. |
Результаты этапа: 1. Исследована проблема инициирования детонации в сверхзвуковом потоке стехиометрической смеси пропан-воздух в изогнутом канале постоянной ширины в плоском двумерном и в трехмерном случаях. Получены условия, при которых формируются течения с волной детонации. 2. Сформулирована и исследована задача о трехмерном нестационарном течении с детонационной волной, вращающейся в кольцевом зазоре осесимметричного устройства между двумя параллельными плоскостями, перпендикулярными его оси симметрии. Предполагается, что однородная горючая смесь пропана с воздухом, покоящаяся в резервуаре с заданными параметрами торможения, поступает в кольцевой зазор через свою внешнюю цилиндрическую поверхность в направлении оси симметрии. Получены и проанализированы нестационарные ударно-волновые структуры, возникающие в процессе формирования стационарной вращающейся детонации. Исследована зависимость параметров вращающейся детонации от параметров торможения. 3. Проведена адаптация технологии НИИ механики МГУ HIGHTEMP для расчета пространственных реагирующих течений с учетом эффектов переноса и турбулентности применительно к исследованию процессов в модельной прямоточной камере сгорания. Построена трехмерная расчетная область и проведены тестовые расчеты в двумерной постановке по проблеме инициирования и стабилизации сверхзвукового горения керосино-воздушной смеси водородным пламенем, которые выявили характерные особенности структуры течения, в том числе с образованием волны детонации, в зависимости от параметров сверхзвукового потока воздуха, интенсивности инжекции водорода, его температуры, места расположения и размера области инжекции. 4. Проведена модернизация разработанного ранее оригинального программного комплекса для численного моделирования течений реагирующего газа с использованием современного детального кинетического механизма химического взаимодействия в смеси водорода с окислителем. Рассмотрено распространение детонационной волны в покоящейся стехиометрической водородно-воздушной смеси в плоском канале с поперечным препятствием, а также изучено инициирование и распространение детонации в стехиометрической водородно-воздушной смеси, поступающей со сверхзвуковой скоростью в плоский симметричный канал с сужением (пережатием). Установлена возможность инициирования стабилизированной детонации с помощью поперечного препятствия (барьера), исследовано влияние на процесс положения препятствия, его высоты и времени и изучена структура стабилизированной волны. В связи с проблемой управления детонацией изучена детонация покоящейся смеси, в которой часть молекулярного водорода и молекулярного кислорода замещалась соответствующими атомарными газами и установлено, что указанная замена приводит к уменьшению поперечного размера детонационной ячейки и увеличению скорости волны. Кроме того обнаружено, что скорость распространения детонации можно существенно уменьшить добавлением в горючую смесь мелких инертных частиц. Используя это, можно стабилизировать волну и влиять на ее положение в сверхзвуковом потоке в канале с сужением. 5. Проведено расчетно-экспериментальное исследование пульсаций силы тяги и давления газа на поверхности тяговой стенки в кольцевом и линейном двух щелевом соплах на импульсной аэродинамической установке НИИ механики МГУ с использованием продуктов сгорания ацетилено-воздушной смеси в качестве рабочего газа. Расчеты выполнены на основе уравнений Навье-Стокса для многокомпонентной реагирующей газовой среды в рамках химически неравновесной термохимической модели. Получены зависимости частоты и амплитуды колебаний давления в центре тяговой стенки и силы тяги от давления газа на входе и выходе сопла, от размера его критического сечения и формы дефлектора. 6. Проведено исследование пределов воспламенения и различных характеристик горения метановоздушных смесей с добавками водорода, ацетилена и бутана и показано, что присутствие в составе сжиженного природного газа указанных углеводородных добавок позволяет организовать его эффективное сжигание в камерах сгорания авиационных и ракетных двигателей. В широком диапазоне начальных параметров горючей смеси метан-кислород-азот рассчитаны времена задержки воспламенения (времени индукции), удовлетворительно согласующиеся с опубликованными экспериментальными данными. | ||
2 | 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. | РФФИ 18-01-00883 Горение и детонация в каналах и ограниченных объемах. Этап 2. |
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".