Многофазные электрофизические и плазменные процессы и технологии, гидродинамика и турбулентность

Отчет 122 с., 68 рис., 4 табл., 123 источн. НЕРАВНОВЕСНАЯ ПЛАЗМА, ИСКРОВОЙ РАЗРЯД, СТРИМЕР, ХОЛЛОВСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ, ПЛАЗМОТРОН, СИНТЕЗ ЧАСТИЦ, МНОГОФАЗНОЕ ТЕЧЕНИЕ, ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ, ГОРЕНИЕ, ДЕТОНАЦИЯ Основными объектами исследования являются: - плазменный канал искрового разряда в воздухе; - сильно неравновесная плазма, взаимодействующая с поверхностями; - газовый разряд низкого давление в скрещ енных полях; - СВЧ-разряд атмосферного давления; - разряд с жидким катодом; - электрогидродинамические течения слабопроводящих жидких диэлектриков; - электрофизические процессы в атмосфере Земли; - двухфазное течение; - метано-воздушное пламя; - процессы воспламенения и нестационарного горения газообразных смесей различных составов; - течение и горение жидкого и твердого топлива в горелках и форсунках; - вычислительный код CSPH с управляемой схемной вязкостью. Основными целями работы являются: - определение параметров плазмы в наносекундном искровом разряде в воздухе; - исследование параметров плазмы в струях, взаимодействующих с наклонными поверхностями; - кинетическое моделирование плазмы низкого давления, образующейся в двигателе с замкнутым дрейфом электронов; - разработка и исследование способа ускорения дробления капель распыла в набегающем сверхзвуковом потоке воздуха; - сравниние численных и экспериментальных результатов исследования зависимости высоты факела обратного метано-воздушного пламени; - численное моделирование и экспериментальное исследование движения слабопроводящих диэлектрических жидкостей в предпробойных электрических полях; - расширение фундаментальных представлений о развитии нестационарных процессов воспламенения, горения и детонации, а также определения имеющих прикладное значение критериев реализации различных режимов горения; - создание математической модели камер сгорания двигателей аэрокосмических систем; - Исследование влияния условий обработки потоком низкотемпературной плазмы в открытой атмосфере на структурно-фазовый состав, морфологию, магнитные и влагостойкие свойства пленочных покрытий. Исследование особенностей генерации и температурная диагностика плазменных струй аргонового СВЧ-разряда. Деструкция изопропанола в воде при разряде постоянного тока с жидким катодом. Исследование границы раздела жидкостей в электрическом поле и развития электрического пробоя; - создание процедуры управления схемной вязкостью при моделировании вязких течений сжимаемых сред при произвольных размерах SPH-частиц; - изучение процессов с участием заряженных частиц в кучевых облаках для создания кинетической модели электрических процессов в кучевых облаках атмосферы Земли. Применялись следующие методы исследования: - расчетно-теоретический анализ и численное моделирование (в том числе, PiC+MCC, метод VOF с явной реконструкцией контактной поверхности фаз, CSPH); - методы численного моделирования с использованием современных вычислительных методик и алгоритмов их реализации с применением суперкомпьютеров; - экспериментальные методы (оптические, электрические, метод термопар, метод оптической термографии); Основные результаты и их новизна: - в результате выполнения расчетно-теоретического исследования развития искрового разряда в воздухе при атмосферном давлении в геометрии острие-плоскость получены следующие свойства плазменного канала: напряженность электрического поля, температура электронов, проводимость плазмы, скорость расширения канала; - методом численного моделирования исследовано взаимодействие плазменной струй гелия с поверхностями диэлектрических пластин и показано, что в этих условиях на краю пластины происходит расщепление ионизационной волны; рассмотрено влияние микровыступов на поверхности электродов на условия зажигания разряда в углеводородных жидкостях, получены величины длины и радиуса микровыступов, при которых наблюдается согласие с имеющимися экспериментальными данными; - проведены результаты пробного расч ета интенсивного разряда в двигателе с замкнутым дрейфом электронов при напряжении разряда 600В, проанализирована функция распределения электронов; - показано воспроизведение в численном эксперименте полей температуры, скоростей, концентраций реагирующих веществ с погрешностью не более 30; - разработан подход на основе метода частиц для моделирования распространения пассивной примеси и проведено экспериментальное исследование течения трансформаторного масла в системе электродов провод над плоскостью; - изучена эволюция свободно распространяющегося пламени и определены критерии перехода к детонации в больших объемах и свободном пространстве, определена роль локальных эффектов в эволюции расходящегося пламени, показано, что параметр, характеризующий степень развитости поверхности пламени, не является достаточным для определения условий перехода горения в детонацию; исследован процесс самовоспламенения водорода при его истечении в открытый и ограниченный объемы и впервые предложена диаграмма режимов истечения, позволяющая оценивать риски взрыва в местах хранения водорода; предложен новый подход к оценке концентрационных пределов турбулентного горения водорода на основе численного моделирования; - создание метода VOFс явной реконструкцией контактной границы, который позволяет рассчитывать движение многофазной жидкости, одна из фаз которой движется вплоть до сверхзвуковых скоростей; - впервые продемонстрирована перспективность плазменной обработки с образованием супергидрофобных магнитных покрытий с выраженной кристаллической и магнитной анизотропией; предложен эффективный метод синтеза композитных микрочастиц путем воздействия низкотемпературной азотной плазмы; проведено исследование деструкции изопропилового спирта в водном растворе под действием разряда с жидким электролитным катодом; развития импульсного электрического разряда поперек границы раздела жидкостей может развиваться по двум сценариям: медленному и быстрому; - код CSPH с управлением схемной вязкостью; - обобщение данных по атмосферному электричеству и описание физической картины основных процессов, ответственных за создание электрических полей и токов в атмосфере Земли. Основные области применения: - плазменная обработка поверхности искровым разрядом - биомедицинские приложения; - проектирование высоковольтного оборудования; - разработка двигателей с замкнутым дрейфом электронов; - перспективные летательные аппараты; - объекты электроэнергетики России; - взрывобезопасность промышленных объектов; - плазменные технолигии и плазмохимия. Поставленные задачи полностью решены. Работы выполнены на высоком научном уровне. Полученные результаты могут быть использованы в дальнейшем для: - продолжения проекта; - для плазменной обработки поверхности искровым разрядом; - при моделировании двигателей с замкнутым дрейфом электронов и анализе кинетики электронной компоненты; - при создании перспективных летательных аппаратов; - для развития новых подходов к оценке энергоэффективности и взрывобезопасности газообразных реагирующих составов; - для разработки форсунок для диспергирования топлива; - для исследования и разработке новых перспективных плазменных технологий; - для моделирования гидродиначических процессов во взрывчатых веществах реальной мезоструктуры на стадии инициирования детонации; - для моделирования электрофизических процессов в атмосфере Земли.