Движение сплошных сред с физико-химическими превращениями

С использованием детального кинетического механизма химического взаимодействия численно исследована возможность управления детонационным горением стехиометрической водородно-воздушной смеси, поступающей со сверхзвуковой скоростью в плоский симметричный канал с пережатием, с целью определения условий, обеспечивающих стабилизацию детонационной волны в потоке. Для инициирования детонации в потоке в начальный момент времени использован мгновенный подвод сверхкритической (достаточной для прямого инициирования детонации) энергии. Решение уравнений газовой динамики, описывающих плоское двухмерное нестационарное течение невязкой нетеплопроводной многокомпонентной газовой смеси, совместно с уравнениями детальной химической кинетики проведено конечно-разностным методом, основанным на схеме С.К. Годунова. Численное моделирование выполнено при шаге разбиения расчетной сетки 0,02 − 0,04 мм, обеспечивающем корректное разрешение структуры детонационной волны. Для ряда значений числа Маха входящего потока определены параметры канала, обеспечивающие формирование в нем создающего тягу течения со стабилизированной волной детонации. Рассмотрено влияние изменения числа Маха входящего потока и размера выходного сечения канала на положение в потоке стабилизированной детонационной волны. Предложен способ формирования в рассматриваемом канале с пережатием создающего тягу течения со стабилизированным детонационным горением без каких-либо затрат энергии. Рассмотрена задача об инициировании детонации в сверхзвуковом потоке стехиометрической пропано-воздушной смеси в плоском канале постоянной ширины с изгибом. В зоне изгиба стенки канала имеют форму дуг окружностей заданных радиусов, длина которых определяется заданным углом его поворота. Исследование проведено в рамках одностадийной кинетики горения численным методом, основанным на схеме С.К. Годунова, в оригинальном программном комплексе, разработанном для проведения многопараметрических расчетов и визуализации течений. Определены критические условия возникновения детонации, связанные со скоростью набегающего потока, углом поворота канала, его шириной и радиусами кривизны стенок. Проведены экспериментальные исследования незатухающих квазипериодических режимов течений продуктов сгорания ацетилено-воздушных смесей в кольцевом сопле с внутренним дефлектором. Получены аналоговые сигналы пульсаций давления на тяговой стенке сопла. Установлено, что появление изменяющихся по амплитуде и незатухающих по времени максимумов давления в центре тяговой стенки наблюдается в среднем примерно через каждые 43,7 мкс, что соответствует средней частоте следования импульсов в 22,9 Кгц при скважности, равной 2,82. Выполнена оцифровка типичных регистрируемых сигналов давления в режимах течения с пульсациями и при их отсутствии. Подготовлены массивы числовых данных для спектрального анализа квазипериодических сигналов давления с использованием дискретного преобразования Фурье. Экспериментально определены нижние концентрационные пределы распространения пламени в горючих смесях метан - воздух, ацетилен - воздух, водород - воздух и бутан - воздух. Проведен анализ полученных ранее значений концентрационных пределов распространения пламени в метано-воздушных смесях с добавками на основе правила А. Ле Шателье с альтернативными наборами констант. Проведены серия численных расчетов в осесимметричной постановке для осредненных по Фавру уравнений Навье - Стокса, описывающих воспламенение и горение ацетилено-воздушной смеси в полусферической камере сгорания экспериментальной установки НИИ механики МГУ, численное исследование зависимости частоты и амплитуды колебаний параметров течения в тяговом устройстве с кольцевым и щелевым соплами на продуктах сгорания ацетилено-воздушной смеси от условий на входе и выходе из устройства и его геометрии. Установлена возможность развития автоколебательных пульсирующих режимов сгорания смеси. На основе уравнений Эйлера в трехмерном пространстве произведены расчеты нормального и вихревого течений воздуха в осесимметричном сопловом устройстве НИИ механики МГУ с условным диаметром выхлопа 70 мм и дефлектором сферической формы. Сформированы трехмерная расчетная область и сетка, соответствующие по геометрии и размерам сопловому устройству. Результаты исследования проиллюстрированы полями газодинамических параметров и графиками временных зависимостей силы, действующей на тяговую стенку. Показано, что задание вихревого втекания воздуха приводит к силе, меньшей, чем при нормальном втекании при прочих равных условиях. Проведено численное моделирование столкновения движущихся со сверхзвуковой скоростью тел с газовыми пузырями пониженной и повышенной плотности при различных числах Маха. Обнаружен эффект внезапного скачкообразного увеличения давления и плотности в критической точке тела до значений, многократно превышающих значения, рассчитанные из решения задач Римана по одномерной теории. Показано, что эффект объясняется воздействием тонких кумулятивных струй, формирующихся при фокусировке поперечных ударных волн на оси симметрии в результате перестройки течения при взаимодействии головной ударной волны с газовым пузырем. Установлено, что быстропротекающий процесс фокусировки в целом согласуется с известными сценариями фокусировки для взаимодействия плоской ударной волны с газовыми пузырями с учетом некоторой специфики, обусловленной наличием тела. Проведено параметрическое исследование взаимодействия тел с эллипсоидальными газовыми пузырями различной плотности, размера и удлинения. Показано, что для создания наилучших условий для фокусировки поперечных ударных волн и достижения наибольшей кумуляции размеры пузыря должны быть порядка расстояния отхода головной ударной волны на центральной линии тока, а его форма – близка к сферической. Проведено численное моделирование взаимодействия ударной волны с цилиндрическим облаком кварцевой пыли небольшой концентрации в рамках модели равновесной пылегазовой смеси. Описаны преломление падающей волны, а также формирование и фокусировка поперечных ударных волн. Обнаружены два качественно различных режима взаимодействия (внешний и внутренний), реализующиеся при различных значениях концентрации пыли. Определена зависимость положения пиковой точки и относительной интенсивности фокусировки волн от объемной концентрации пыли в облаке в диапазоне 0,01 - 0,15%. При повышении концентрации пыли точка фокусировки приближается к границе и смещается внутрь облака, а интенсивность фокусировки существенно возрастает. На основе уравнений Эйлера исследована задача о взаимодействии ударной волны с продольным полубесконечным плоским слоем или цилиндрическим каналом конечной ширины, заполненным газом пониженной плотности. Описана газодинамика течения, включающая регулярные и нерегулярные режимы взаимодействия. Обнаружены новые газодинамические элементы течения: высоконапорные струи с волновой внутренней структурой и слоистые вихри. Выявлено замедление роста газодинамического “предвестника” на больших временных интервалах, обусловленное эффектом запирания потока и развитием завихренности за его фронтом. Проведена модернизация экспериментальной установки «Ударная труба "Квадрат"» с заменой основного рабочего элемента ударной трубы – импульсного высокоскоростного пневматического клапана на клапан большего сечения. Проведено исследование трансзвуковых неклассических пограничных слоев. Обнаружена дополнительная ветвь дисперсионной кривой, охватывающая весь диапазон значений частот возмущений. Установлено, что считавшееся ранее однозначным соответствие частоты длине волны таковым не является.