Исследование фундаментальных закономерностей тепломассопереноса, газовой динамики, химических и фазовых превращений в гетерогенных средах на основе сопряженных математических моделей и проблемно-ориентированных вычислительных комплексов

Проведено численное исследование влияния молекулярного кислорода, находящегося в возбужденном состоянии, на горение полиоксиметилена в реакторе по сжиганию твердых бытовых отходов. Установлено, что сигнглетный дельта-кислород может быть получен за счет воздействия электрического разряда на кислород в обычном состоянии. Данный результат представляется как частный случай общей задачи применения плазмы для изменения параметров горения. Методика расчетов и использованные кинетические механизмы апробированы на задачах горения формальдегида, а также метано-воздушной смеси с заменой части кислорода на синглетный дельта-кислород. Показано, что замена в реагентах десяти процентов молекулярного кислорода на синглетный дельта-кислород при горении полиоксиметилена позволяет поднять максимальную температуру в камере сгорания, повысить массовую скорость горения полимера и температуру горящей поверхности. Проведено численное исследование параметров турбулентного диффузионного пламени на горизонтальной и вертикальной (горение снизу вверх) поверхностям твердого полимерного горючего материала – полиметилметакрилата (ПММА). Расчеты проведены с использованием открытого программного пакета Fire Dynamics Simulator (FDS). Рассмотрены процессы, протекающие в метилметакрилате – продукте пиролиза ПММА. По полученным результатам распределения мгновенных значений температуры определена высота от поверхности горения, при которой начинается формирование турбулентного режима горения. Проведены теоретические исследования процесса формирования газовой мишени, формируемой в результате столкновения двух сверхзвуковых струй ксенона, направленных перпендикулярно друг другу. Показано, что в этом случае происходит нарушение сверхзвукового режима истечения обеих струй. Плотность газа в области распределена неравномерно – чередуются зоны высокой и низкой плотности газа в вакуумной камере, что указывает на невозможность использования таких мишеней в составе лазерно-плазменных источников излучения. Проведено моделирование формирование газовых мишеней в лазерно-плазменном источнике излучения на основе истечения криптона в вакуумную камеру через коническое сопло. Показано, что в зоне формирования лазерной искры, расположенной на расстоянии порядка 0.5 мм от среза сопла может наблюдаться гомогенная конденсация. Данная система формирования газовых струй может быть рекомендована для использования в системах с высокой частотой возбуждающих импульсов либо для формирования кластерных пучков. Разработана математическая модель и проведены численные исследования характеристик процессов в жидкотопливном теплогенераторе непрямого нагрева. Предложена оптимизация конструкции теплообменника, позволяющая снизить гидродинамическое сопротивление тракта продуктов сгорания. Показана удовлетворительная сходимость результатов моделирования с натурным экспериментом. Проведены численные исследования параметров сверхзвукового течения в ближнем следе за цилиндром. Для прогнозирования поведения сверхзвукового потока применено осесимметричное прямое численное моделирование. Оптимальное разрешение сетки было установлено путем тестовых расчетов с учетом доступного времени выполнения и сходимости решения, определяемого значением завихренности. Численная схема обеспечивает аппроксимацию четвертого порядка для пространственных производных и второго порядка по времени. Установлено, что коэффициент локального донного давления, рассчитанный с помощью прямого численного моделирования, несколько завышен в зоне, близкой к оси симметрии, по сравнению с экспериментом, тогда как интегральный донный коэффициент сопротивления показывает хорошее согласие с экспериментальными данными и заметно лучше, чем полученный с помощью подхода, основанного на RANS модели турбулентности. Проведены численные исследования газодинамических процессов протекающих в твердотопливных ракетных двигателях на базе решения уравнений для турбулентных потоков сжимаемого газа в осесимметричной постановке. Разработанный программный комплекс использует предложенный алгоритм для проведения параллельных вычислений на многоядерных компьютерных системах с общей памятью. Выполнены численные исследования течения продуктов сгорания в твёрдотопливном ракетном двигателе с использованием разработанного параллельного алгоритма. В качестве компьютерных платформ использовались две системы, имеющие различные конфигурации. Приведены результаты моделирования внутрикамерного течения сжимаемого вязкого газа и проведён анализ зависимости относительной вычислительной производительности от конфигурации компьютера, используемой в расчётах. Разаработано микроволновое устройство, содержащее источник электрического тока, магнетрон с рабочей частотой 2,45 ГГц, прямоугольный волновод с открытыми торцами, в полости которого встроены антенна магнетрона и четвертьволновой резонатор. Принцип действия устройства основывается на возбуждении волноводных волн в полости волновода за счет интерференции волн, отраженных от внутренних стенок волновода и создания ускоряющегося направленного потока энергии. Распределение интенсивности вблизи выходного торца волновода устройства определялось с помощью оптопары, содержащей газоразрядную лампу, фотодиод и микроамперметр. Ток в фотодиоде оказывается максимальным при расположении лампы напротив центра торца волновода, что указывает на возбуждение волноводных волн с распределенной амплитудой в полости волновода. Зарегистрировано излучение устройства с прямоугольным волноводом на расстоянии 500 м. Раструб на торце волновода в аналогии Е – секториальной антенной существенно увеличивает интенсивность излучения устройства, импульсы излучения фиксируются на расстоянии в 2 км. Экспериментальные результаты указывают на перспективность применения предлагаемого устройства для возбуждения рупорных антенн и других технических приложений.