Теоретическое и экспериментальное изучение волновых процессов в неравновесных дисперсных средах с фазовыми переходами, горением и детонацией

Исследование направлено на создание научных основ для управления горением, взрывными и детонационными процессами в газовых смесях и дисперсных средах с целью прогнозирования катастроф природного и техногенного происхождения, а также использования детонации и сверхзвукового горения в двигательных установках. Основные цели исследования заключаются получении новых знаний о закономерностях процессов воспламенения и горения в высокоскоростных потоках, детонации и акустическом воздействии на гетерогенные среды. На данном этапе разработаны физико-математические модели и соответствующие численные алгоритмы для решения задач горения и детонации реагирующих газовых смесей и газовзвесей частиц металлов инициирования, распространения или подавления детонации в смесях инертных/реагирующих газов, инертных/реакционноспособных частиц, мелкодисперсных капель. Выявлены два типа взаимодействия детонационных волн с завесами инертных капель воды. Проведено тестирование модели гибридной детонации с учетом и без учета горения алюминиевых частиц. • Разработаны физико-математические модели взаимодействия детонационных волн и гибридных детонационных волн в водород-кислородной и алюминий-кислородной смесях с завесами водяных капель, учитывающие детальную кинетику химических превращений в водород-кислородной смеси и приведенную кинетику горения алюминия, испарение капель, их деформацию и дробление на более мелкие капли, срыв поверхностного слоя капли с образованием водяной пыли и испарение водяной пыли. Созданы соответствующие численные алгоритмы и программные коды расчетов взаимодействия гомогенной и гетерогенной детонационных волн с капельной завесой с использованием численных высокоточных методов расчета. • Используя данные модели и численные алгоритмы, рассчитано взаимодействие детонационных волн с полубесконечными завесами инертных капель воды. Выявлено, что в результате этого взаимодействия реализуются два типа детонационных течений: стационарное распространение ослабленной детонационной волны со скоростями, меньшими скорости Чепмена-Жуге, при докритических концентрациях инертных капель; срыв детонации при критических и сверхкритических концентрациях инертных капель. Проведено тестирование модели гибридной детонации с учетом и без учета горения алюминиевых частиц. Без учета горения при инициировании с помощью камеры высокого давления получен режим галопирующей детонационной волны. • Выполнено численное моделирование процессов смешения и воспламенения неподготовленных водородо-воздушных смесей в канале с уступом при сверхзвуковых (М=3.85) скоростях на входе в канал. При стационарных входных условиях, соответствующих экспериментальным, получен автоколебательный режим течения с характерными частотами 400 Гц. Пульсации проявляются на поведении интегральных характеристик: средней по объему канала температуры, массы водяных паров, массового расхода на выходе из канала и др., а также истории статического давления в датчиках, расположенных на стенках канала. При этом среднее по периоду распределением давления удовлетворительно совпадает с экспериментальными. Анализ характеристик течения за полный цикл колебаний показал, что в размер отрывной зоны за уступом, в которой происходит интенсивное горение смеси, увеличивается в моменты, соответствующие максимальной температуре, более чем в два раза. Сверхзвуковое ядро течения сужается, и в центре канала образуется область с высоким давлением, которая распространяется вверх по потоку. Это формирует необходимый для возникновения автоколебаний механизм обратной связи. Показано, что пульсации давления улучшают смешение водорода и воздуха и повышают полноту сгорания водорода. • Показана принципиальная возможность изменения содержания pH воды с помощью акустического воздействия. Количественно определена динамика роста значения pH и понижения температуры для исследуемых образцов воды при оказании на них воздействия рабочего потока на пяти режимах работы АУ. Обнаружено, что после прекращения акустического воздействия pH продолжает возрастать еще в течение короткого интервала времени (в течение 20 мин), после чего pH резко падает, т.е. наблюдается эффект «памяти». Выявлено, что наличие в рабочем потоке резонирующей частоты приводит к более интенсивному охлаждению жидкости внутри замкнутого исследуемого объёма. • Проведенное численное моделирование позволило получить полную картину течения в резонирующей полости при газодинамическом нагружении. Рассмотрен один период взаимодействия нерасчетной струи с резонирующей полостью. Установлено, что на этапе заполнения резонатора происходит формирование устойчивой бочкообразной структуры струи в области кромки резонансной полости, что инициирует возникновение волн сжатия распространяющихся вглубь резонатора. Показано, что при взаимодействии волны сжатия с торцевой стенкой происходит резкий рост параметров: давление в 3.7 раза, температуры в 16.7 раз, а абсолютное значение скорости фронта волны уменьшилось от М = 1.35, до М = 1. Обнаружено формирование высокотемпературной стационарной области в окрестности торца резонатора продолжительностью полцикла. Выявлены локальные сферические области с высоким и низким давлением при взаимодействии отражённой волны сжатия с бочкообразными структурами.