Многофазные электрофизические и плазменные процессы и технологии, гидродинамика и турбулентность

Отчет 150 с., 1 кн., 70 рис., 4 табл., 213 источн. НЕРАВНОВЕСНАЯ ПЛАЗМА, ИСКРОВОЙ РАЗРЯД, СТРИМЕР, СПРАЙТ, АТМОСФЕРНОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСТВО, ПЛАЗМОТРОН, МНОГОФАЗНОЕ ТЕЧЕНИЕ, ЭГД ТЕЧЕНИЕ, ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ, ГОРЕНИЕ, ДЕТОНАЦИЯ Основными объектами исследования являются: - сильно неравновесная газоразрядная плазма; - электрогидродинамическое течение, в том числе, при наличии границы раздела; - процессы воспламенения и горения газообразных смесей различных составов в ограниченных объемах (каналах, трубах и камерах сгорания).; - распыл и пиролиз в установках. Основными целями работы являются: - описание процесса развития многоканальных искровых разрядов с учетом происходящих при этом газодинамических процессах; - исследование влияния магнитного поля на характеристики электрических разрядов; - исследование плазменных явлений в верхней атмосфере Земли; - моделирование движения слабопроводящих диэлектрических жидкостей; - исследование дробления капель распыла в спутном газовом потоке при повышенных температуре и давлении; - исследование особенностей воспламенения и развития горения газообразных смесей неоднородного состава; - анализ влияния вихревых структур и турбулизации среды на развитие горения; - исследование неустойчивости пламени и её влияния на интегральные характеристики развития горения; - исследование горячего канала для плазмотрона постоянного тока и влияния на электроды малых добавок в плазмообразующий газ; - электродуговой синтез керамики методом газотермического напыления - разработка оптических методов визуализации струи плазмотрона и процесса рарушения в ней высокотемпературных материалов; - исследование воздействия высокочастотного безэлектродного разряда на кислородосодержащие органические соединения в водном растворе; - разработка вихреразрешающих численных методов высокого порядка точности для моделирования истечения рабочей среды генератора низкотемпературной плазмы в окружающее пространство. Применялись следующие методы исследования: - расчетно-теоретический анализ; - численное моделирование с применением суперкомпьютеров; - электрические; оптические; хроматографические; Основные результаты и их новизна: - Разработана физико-математическая модель с учетом плазмохимии и газодинамики одновременного развития и взаимодействия нескольких плазменных каналов в искровых разрядах в воздухе атмосферного давления, на основании которой выполнен двумерный расчет. - Рассчитаны напряжения зажигания для широкого диапазона значений плотности газа, радиуса провода и приложенного магнитного поля. Результаты расчета описывают специфические детали немонотонной зависимости напряжения зажигания от значений магнитного поля, согласующиеся с имеющимися экспериментальными данными. - Получены зависимости радиуса и скорости распространения спрайтов от высоты, рассмотрено влияние высоты зарождения стримера и электрического поля на этой высоте на параметры стримера. - Создан вариант трехмерной версии расчетного алгоритма, распараллеленного с одновременным использованием двух технологий параллельного программирования – MPI и OpenMP; получено решения двумерного уравнения Пуассона методом БПФ. - Получены экспериментальные зависимости усредненных характеристик распыла от внешних условий – статических температуры и давления набегающего потока газа. - Продемонстрированы возможные пути оптимизации процесса сжигания в камере сгорания двигателя с искровым зажиганием путем варьирования параметров подачи. - Изучена неустойчивость и структура пограничного слоя при распространении пламени в канале и описан механизм ускорения пламени в результате взаимодействия с вихревыми структурами. - Впервые описан механизм роста избыточного давления и генерации ударных волн при турбулентном горении газообразной смеси в ограниченном объеме. - Впервые выявлена неоднозначность влияния микрокапель на развитие горения газовой смеси, что принципиально допускает оптимизацию режима горения газообразного топлива при подаче диспергированной жидкости в камеру сгорания. - Впервые получена классификация режимов горения ультрабедных водородно-воздушных смесей при воспламенении от нагретой стенки. - На базе CAE-пакета для междисциплинарного моделирования устройств и физических процессов FlowVision реализованы подходы к детальному численному моделированию процессов горения химически активных газовых смесей; - Создана конструкция горячего графитового канала для плазмотрона постоянного тока, обеспечивающая нагрев графитовой мишени до температуры выше 3000 К без возникновения эрозии. - Проведено исследование состояния катода со вставкой из чистого и лантанированного вольфрама при добавлении к плазмообразующему газу аргону пропан-бутана для генератора низкотемпературной плазмы постоянного тока с вихревой стабилизацией дуги и расширяющимся каналом газоразрядного тракта. - Предложена методика электродугового синтеза люминесцентной керамики β-Ga2O3. - С помощью лазерного оптического теневого метода выполнена визуализация картины истечения в двух взаимно перпендикулярных плоскостях струи. - Предложен способ обработки цифровых изображений стержня при обтекании высокоэнтальпийной струей плазмотрона. - Показано влияние депротонизированных слоев жидкости на распределение силы и картину течения слабопроводящей жидкости. - Создан эффективный плазмохимический микрофлюидный реактор, позволяющий создать условия для преимущественного протекания целевой химической реакции – мягкого окисления, окислительной перегруппировки, крекинг-подобного процесса без жесткой окислительной деструкции углеродного скелета. - Проведен обзор наиболее перспективных подходов к реализации численных методов, которые захватывают энергосодержащие и инерционные диапазоны турбулентных потоков, необходимых для моделирования истечения рабочей среды генератора низкотемпературной плазмы. Основные области применения: - плазменная обработка поверхности искровым разрядом, NO-терапия; - магнитогидродинамическое управление потоками; - исследования геофизических явлений в земной атмосфере; - многофазные течения «газ–жидкость»; - разработка методик оценки энергоэффективности перспективных газообразных и дисперсных топлив; - разработка систем взрывобезопасности промышленных объектов; - предсказательное моделирование процессов горения в реальных технических системах с использованием пакета FlowVision; - технологии плазменной модификации поверхностей различных материалов, в том числе исследование теплозащитных и тугоплавких материалов; - плазменные технологии и плазмохимия; - объекты электроэнергетики России. Поставленные задачи полностью решены. Работы выполнены на высоком научном уровне. Полученные результаты могут быть использованы в дальнейшем для: - плазменной обработки поверхности искровым разрядом, а также в медицине в области NO-терапии; - исследований в области формирования высоковольтных разрядов; - верификации методов численного моделирования двухфазных течений, двигателестроение; - развития новых подходов к оценке энергоэффективности использования и взрывобезопасности газообразных реагирующих составов; - продолжения работ по исследованию однофазных и многофазных сред; - исследования и разработки перспективных плазменных технологий.