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 каналах технических устройств. 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 выполнения проекта разработаны физико-математические модели и соответствующие численные алгоритмы для решения задач гибридной детонации и взаимодействия волн ячеистой газовой и гетерогенной детонации с капельными преградами. Обнаружено, что добавление частиц алюминия в водород-воздушную способствует стабилизации течения и регуляризации ячеек, приводит к увеличению скорости детонации, повышению пиковых давлений и температур и уменьшению размера детонационных ячеек. Получены интегральные зависимости нормированной скорости детонационной волны в газовой смеси от объемной концентрации и диаметра инертных капель. Выявлено, что эффективность подавления детонации жидкими каплями немного выше, чем инертными частицами. Получены критические объемные концентрации и соответствующие диаметры капель, приводящие к срыву детонационной волны. Определено, что чем меньше диаметр капель, тем меньше нормированная скорость детонации при соответствующих объемных концентрациях и меньше критические объемные концентрации капель, приводящие к срыву детонации. Выполнена серия расчетов движения и теплообмена потока с нереагирующими частицами для модельной двумерной задачи о воспламенении водородно-воздушной смеси в канале с обратным уступом. Показано, что наличие частиц в потоке позволяет изменить режим воспламенения и горения водородно-воздушной смеси. Дата начала и окончания НИР: 2021-2023. Ключевые слова: механика гетерогенных сред, воспламенение, горение, детонационные волны, численные методы решения задач механики гетерогенной среды, водородо-воздушные смеси. Цели проекта: • Изучить воспламенение и горение неподготовленных смесей в каналах переменного сечения при сверхзвуковых скоростях на входе в камеру сгорания с учетом многоструйной инжекции и добавок горячих инертных частиц. • Разработать физико-математические модели, описывающие взаимодействие детонационных волн в реагирующих газовых смесях (водород/метан с окислителем) / газовзвесях реагирующих частиц (частицы алюминия в окислителе) с облаками жидких инертных капель (вода). • Разработать программные коды для расчетов процессов взаимодействия детонационных волн в реагирующих газовых смесях (водород/метан в кислороде) и газовзвесях частиц алюминия в кислороде с облаками жидких инертных капель. • Отработать на тестовых задачах численные схемы, провести расчеты детонационных течений в каналах с газокапельной завесой с использованием разработанных физико-математических моделей и программных кодов. • Определить волновые режимы, возникающие при взаимодействии детонационных волн с газокапельной завесой. • Разработать численные технологии для расчетов неравновесных течений смесей газов с частицами и мелкодисперсными каплями, основанные на собственных программных комплексах и лицензионных программных продуктах (ANSYS Fluent). • Создать физико-математическую и программную технологию для решения задач влагопроводности аэрированной жидкости в капиллярно-пористых образцах при распространения волновых процессов по смеси конденсированных материалов (твердая, жидкая и газообразная фазы). • Экспериментально и теоретически исследовать механизм ускорения сушки капиллярно-пористых материалов при акусто-конвективном воздействии на этапе осушения, характеризуемом затуханием скорости сушки. Краткая характеристика полученных результатов: • Разработана физико-математическая модель гибридной детонации в смеси водород-кислород-аргон с добавками микродисперсных частиц алюминия. Горение водорода описывается в рамках модели приведенной кинетики. Описание горения алюминия проводится на основе кинетики аррениусовского типа с привлечением данных экспериментов и термодинамических расчетов. В модели учитывается образование твердого оксида алюминия в форме частиц нанометрового размера и образование газообразных продуктов окисления алюминия (субокислов). • На основе двумерных расчетов изучены процессы формирования и распространения ячеистой детонации в смеси 0.36H2+O2+2.58Ar с добавками алюминия при 1 атм в плоском канале шириной 10 см и в канале с линейным расширением. Установлены следующие свойства: добавление частиц алюминия способствует стабилизации течения и регуляризации ячеек, приводит к увеличению скорости детонации, повышению пиковых давлений и температур и уменьшению размера детонационных ячеек. В канале с расширением добавление небольшого количества реагирующих частиц способствуют сохранению детонационного режима. • Предложены физико-математические модели взаимодействия одномерных (плоских) и двумерных (ячеистых) детонационных волн в стехиометрической водород-кислородной (воздушной) и стехиометрической алюминий-кислородной смесях с завесами водяных капель, учитывающие детальную и приведенную кинетики химических превращений в водород-кислородной (воздушной) 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. • Рассчитано взаимодействие детонационной волны 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. • Получены интегральные зависимости нормированной скорости детонационной волны от объемной концентрации и диаметра капель. Из сопоставления данных зависимостей с подобными зависимостями при взаимодействии детонационной волны с облаками инертных частиц выявлено, что эффективность подавления детонации жидкими каплями немного выше, чем инертными частицами. Получены критические объемные концентрации и соответствующие диаметры капель, приводящие к срыву детонационной волны. Определено, что чем меньше диаметр капель, тем меньше нормированная скорость детонации при соответствующих объемных концентрациях и меньше критические объемные концентрации капель, приводящие к срыву детонации. • Разработана вычислительная технология расчета задачи о взаимодействии ударных и детонационных волн с жесткой проницаемой преградой в водородо-воздушной смеси на основе пакета ANSYS Fluent. Получены режимы срыва детонации с последующим ре-инициированием, а также режимы подавления детонации. Выявлено, что используемая математическая модель химических реакций учитывает изменение кинетики водорода в области третьего предела воспламенения водорода в воздухе. Подтверждены и выявлены следующие зависимости ослабления детонации от геометрических параметров преграды:  Уменьшение отношения вертикального расстояния между объектами преграды, отнесенного к размеру детонационной ячейки смеси (h/λ) положительно влияет на ослабление детонации независимо от других параметров преграды.  Увеличение диаметра препятствий d приводит к уменьшению пропускной способности всей преграды, что также способствует ослаблению детонации.  Уменьшение горизонтального расстояния между объектами преграды, отнесенного к размеру детонационной ячейки смеси (l/λ) приводит, как к уменьшению пропускной способности всей преграды, так и к увеличению суммарной площади поверхности отражения S, что положительно влияет на ослабление детонации.  Изменение l/λ позволяет менять характер зависимости S от d/λ в связи с изменением пропускной способности преграды. • Выполнен обзор литературы по использованию кинетических схем горения метана для моделирования метано-содержащих смесей в широком диапазоне условий. Выполнен расчет горения предварительно неперемешанной метано-воздушной смеси в канале технического устройства с использованием EDM модели горения, а также химии конечных скоростей с учетом детальных и приведенных кинетических схем. • Выполнен обзор численных методов для описания движения инертных частиц в высокоскоростном течении многокомпонентного газа с химическими реакциями. Рассмотрены численные подходы, основанные на использовании приближения Эйлера для описания частиц как сплошной фазы двухфазного потока и в рамках приближения Лагранжа, в рамках которого частицы описываются дискретно через решение уравнения движения для частиц. Построена физико-математическая модель, позволяющая описать взаимодействие облаков инертных частиц с ударными волнами и высокоскоростными потоками, основанная на подходе Лагранжа для расчета траекторий и теплового состояния частиц, с учетом детальной кинетической схемы для горения (9 компонент и 37 химических реакций). В качестве основных средств моделирования использован решатель Fluent и база кинетических механизмов Chemkin. • Для модельной 2D задачи о воспламенении подготовленной водородно-воздушной смеси в канале с обратным уступом выполнена серия расчетов движения и теплообмена потока с нереагирующими частицами. По результатам серии расчетов показано, что наличие частиц в потоке позволяет изменить режим воспламенения и горения водородно-воздушной смеси. Подаваемые в канал частицы могут приводить к локальному торможению потока, нагреваться и инициировать воспламенение в каналах. На модельной задаче воспроизведены режимы воспламенения высокоскоростного течения в канале в условиях инжекции частиц. • Выполнено численное моделирование нестационарного сверхзвукового течения в плоском канале с резким расширением с учетом тепловыделения в результате химических реакций, подтверждающее полученный в эксперименте режим с тепловым запиранием в канале. Подробная расчетная информация о параметрах потока позволила описать особенности структуры потока в расширяющемся канале с поперечной инжекцией водородных струй, оценить смешение и предсказать зоны, в которых в реагирующем течении смесь может воспламениться. На основании детального анализа мгновенных и средних параметров описаны механизм и этапы процесса теплового запирания канале. Этапы включают воспламенение, распространение пламени и формирование в зоне интенсивного тепловыделения виртуального теплового «горла», в котором статическое давление возрастает в несколько раз. Неблагоприятный градиент давления отрывает пограничный слой на стенках канала, и горячие продукты реакции переносятся возвратным течением в начало канала. Несмотря на то, что ядро потока остается сверхзвуковым, область высокого давления передвигается по дозвуковым и отрывным зонам к началу канала и выходит в зону инжекции. «Выбитая» ударная волна объединяется с головным скачком перед струями, в результате чего канал «запирается». • Разработан и верифицирован алгоритм задания «падающих» входных параметров, описывающих условия эксперимента в импульсной аэродинамической трубе. С использованием этого алгоритма выполнено численное моделирование сверхзвукового течения в канале с обратным уступом с учетом сопряжённого теплообмена датчиков тепловых потоков и воздушного потока. Получено хорошее согласование расчёта для «падающих условий» с экспериментальными значениями температуры по времени в различных сечениях канала. Исследовано влияния «падающих» условий на тепловые потоки. Получено удовлетворительное согласование с данными эксперимента, однако наблюдается небольшое рассогласование с экспериментальными данными по структуре течения и распределению статического давления на стенке, что может быть связано с наличием дополнительных возмущений, которые в расчётах не учтены. • Исследовано влияние расстояния межу соплом и резонансной полостью на процесс формирования колебаний в биканальной системе. В случае близкого расположения сопла и резонатора происходит частое заполнение полости небольшими объёмами воздуха. В результате генерируются колебания с низкой интенсивностью 131 дБ и частотой 4,8 кГц, при этом внутри резонатора устанавливается давление порядка 2,5 атм. При увеличении расстояния до S2 наблюдается чистый тон и реализуется оптимальной режим с интенсивностью 166 дБ при 274 Гц, т.е. реализуется классическое течение в генераторе Гартмана. При большом зазоре интенсивность генерируемых колебаний снижается до 163 дБ при 288 Гц и появлению субгармоник