ИСТИНА

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.