Экспериментальные исследования физических механизмов горения микроструй водорода

Возможности использования водорода в энергетических целях известны давно, и интерес к ним проявлялся не один раз: в 1970 е годы – в связи с нефтяными кризисами, в 2000 е годы – в связи с ростом озабоченности изменением климата. Это стимулировало соответствующие исследования и разработки (с акцентом на транспорт), но масштабного практического внедрения водородных технологий не происходило. Ситуация стала меняться по мере того, как всё больше стран начали стремиться к устойчивому развитию в области энергетики, к переходу в углеродно-нейтральное состояние, к поддержке энергетического перехода как концепции безуглеродной энергетики будущего, осознав, при этом, что только на путях использования возобновляемых источников энергии этой цели не добиться. Водород стал важнейшей составляющей политики перехода в углеродно-нейтральное состояние всех стран, объявивших о таких целях. Не осталась в стороне и Россия, которая приняла план мероприятий «Развитие водородной энергетики в Российской Федерации». Исследованию устойчивости и турбулизации переходных сдвиговых течений, таких как двумерный и трехмерный пограничный слой авторы проекта посвятили многие годы исследований и эти результаты опубликованы в монографии: Boiko A.V., Dovgal A.V., Grek G.R., Kozlov V.V. Physics of Transitional Shear Flows. // Dordrecht: Springer, 2012, 298 стр. В этих работах рассмотрены различные виды неустойчивостей пристенных сдвиговых течений, такие как линейная и нелинейная стадия неустойчивости волн Толлмина – Шлихтинга, неустойчивость вихрей Гертлера, «cross flow instability» неустойчивость на скользящих крыльях, неустойчивость полосчатых структур при низкой и повышенной степени турбулентности набегающего потока, синусоидальная и варикозная неустойчивость пограничного слоя, модулированного полосчатыми структурами, и т.д. Существует прямая связь между неустойчивостью пристенных (пограничный слой) сдвиговых течений и свободных сдвиговых течений (макро – и микроструй). Например, в обоих ситуациях можно наблюдать синусоидальную и варикозную неустойчивость, наличие в обоих случаях полосчатых структур и их неустойчивость, или появление трехмерных вихревых структур типа омега – образных вихрей и т.д. Прежде, чем приступить к исследованию неустойчивости и турбулизации микроструйных течений, руководителем проекта и его ответственными исполнителями были проведены детальные экспериментальные исследования механизмов развития и процессов турбулизации круглых и плоских макроструйных течений. Результаты этих исследований показали, что механизм разрушения круглой макроструи с «ударным» (английский термин «top – hat») профилем скорости на срезе сопла связан с неустойчивостью Кельвина – Гельмгольца. Двумерные кольцевые вихри Кельвина – Гельмгольца, взаимодействуя с полосчатыми структурами, трехмерно деформировались с образованием на их периферии лямда или омега – образных структур, вихревая динамика которых приводила к турбулентному разрушению макроструи. С другой стороны, исследованиями неустойчивости круглой макроструи с параболическим профилем скорости на срезе сопла установлено отсутствие кольцевых вихрей Кельвина – Гельмгольца, сохранение ламинарного течения макроструи большой дальнобойности и процесс ее турбулизации может быть связан, в частности, с неустойчивостью к слабому поперечному потоку. Показано, что неустойчивость плоской макроструи связана с синусоидальной модой неустойчивости, подавляющей первичную варикозную моду неустойчивости. Этот процесс приводил к синусоидальному колебанию макроструи, как единого целого. Установлено, что плоская макроструя с «ударным» профилем скорости на срезе сопла имеет две независящих друг от друга области неустойчивости, расположенные по левой и правой узкой границе макроструи с мощным градиентом скорости. Результаты этих исследований детально представлены в в известных журналах и обобщены в монографиях : Kozlov V.V., Grek G.R., Litvinenko Yu.A., Visualization of Conventional and Combusting Subsonic Jet Instabilities // Dordrecht: Springer-book, 2015, 127 стр. Опираясь на полученные знания о механизмах развития и разрушения макроструй, проведены экспериментальные исследования по изучению механизмов развития и разрушения микроструй, а также их горения. Установлено, что круглая микроструя подвержена уплощению и бифуркации в поперечном акустическом поле. Показано, что круглая и плоская микроструя подвержены бифуркации в поперечном акустическом поле по причине их синусоидальной неустойчивости. Выявлены особенности воздействия поперечного акустического поля на характеристики и механизм развития плоской микроструи в зависимости от соотношения l/h, где l – длина щели сопла, h – ширина щели сопла. Результаты и знания о природе и физических механизмах развития микроструй, полученные при этом, явились основанием для экспериментальных исследований механизма горения как круглых, так и плоских микроструй, поскольку в процессах перемешивания неустойчивости и ламинарно - турбулентный переход играют большую роль. например нами показано, что процесс бифуркации пламени под воздействием поперечного акустического поля при диффузионном горении пропана в круглой и плоской микроструе коррелирует с аналогичным процессом развития микроструи в отсутствии ее горения Данные, полученные в результате планомерного, постепенного и целенаправленного экспериментального исследования устойчивости струйных течений, начиная с макро и до микроуровня, включая микроструйное горение пропана, позволяют нацелиться на проведение и детальное понимание механизмом микроструйного горения водорода. Поэтому перспективным является экспериментальное изучение механизмов диффузионного горения водорода, при дозвуковой и сверхзвуковой скорости истечения, круглых и плоских микроструй. Будут показаны особенности горения данных течений в зависимости от изменений начальных условий на срезе сопла, скорости их истечения и горения водорода в смеси с другими газами. Изучено новое явление при горении микроструи водорода, связанное с образованием, так называемой, «Области перетяжки пламени».