|
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ФНКЦ РР |
||
МК-3012.2019.1 Инициирование горения и детонации при распространении ударных волн по неоднородным горючим газовым смесямНИР
Combustion and detonation initiation upon shock propagation through non-uniform gas mixtures
- Руководитель НИР: Сутырин О.Г.
- Участники НИР: Хабибуллин Р.Р.
- Подразделение: 112 Лаборатория газодинамики взрыва и реагирующих систем
- Срок исполнения: 1 января 2019 г. - 31 декабря 2020 г.
- Номер договора (контракта, соглашения): 3012.2019.1
- Номер ЦИТИС: АААА-А20-120013190108-8
- Тип: Фундаментальная
- Приоритетное направление научных исследований: Движение сплошных сред с физико-химическими превращениями
- ПН России: Транспортные и космические системы
- Критическая технология России: Технологии создания ракетно-космической и транспортной техники нового поколения
-
Рубрики ГРНТИ:
- 30.17.33 Газовая динамика
- 30.51.23 Горение и детонация
- Классификатор OECD: Авиакосмическая техника, Физика жидкости и плазмы, Физика – междисциплинарная
-
Ключевые слова:
фокусировка ударных волн, детонация, кумуляция, ударная волна, пузырь
bubble, cumulation, shock focusing, detonation, shock wave -
Описание:
Основная цель - получение новых фундаментальных данных, в первую очередь определение условий инициирования горения и детонации неоднородной газовой смеси при прохождении по ней ударной волны. На практике эта информация может быть применена, в частности, в следующих направлениях: 1) При проектировании перспективных двигательных установок на детонационном горении, рабочий процесс которых основан на циклическом инициировании детонации в камере сгорания. Специально подобранное неоднородное заполнение камеры сгорания смесью может обеспечить более эффективное инициирование детонации за счет целенаправленно созданной ударной волны или пассивное реинициирование за счет распространяющихся в продуктах сгорания ударных волн, отраженных от стенок камеры. 2) При проектировании высокоскоростных двигательных установок на дефлаграционном (диффузном) горении с ударным сжатием смеси - для правильной организации заполнения камеры сгорания горючей газовой смесью, не допускающего нежелательной детонации во время рабочего цикла. 3) В рамках комплексного исследования технологических помещений и каналов, связанных с огнеопасными жидкостями и газами, на взрывобезопасность - для правильного учета сценариев с локальными утечками горючего и возможными ударными или взрывными волнами.
-
Abstract:
The proposed research task - the interaction of a shock wave with an increased density gas bubble in combustible gas mixtures (RSBI) - is the fundamental basis for many more particular and applied problems in the field of high-speed flows of reacting gaseous media. An example of such a flow is supersonic fuel combustion, in which the residence time of the fuel and oxidizer in the chamber is of the order of several milliseconds. An important task is to obtain new fundamental data, first of all, to determine the conditions for the initiation of combustion and detonation of an inhomogeneous gas mixture during the passage of a shock wave through it. In practice, this information can be applied, in particular, in the following areas: 1) In the design of promising propulsion systems for detonation combustion, the working process of which is based on the cyclical initiation of detonation in the combustion chamber. A specially selected inhomogeneous filling of the combustion chamber with a mixture can provide a more efficient initiation of detonation due to the purposefully created shock wave or passive reinitiation due to the shock waves propagating in the combustion products reflected from the chamber walls. 2) When designing high-speed propulsion systems on deflagration (diffuse) combustion with shock compression of the mixture, to properly organize the filling of the combustion chamber with a combustible gas mixture, which does not allow unwanted detonation during the duty cycle. 3) In the framework of a comprehensive study of technological rooms and channels associated with flammable liquids and gases, for explosion safety - for the correct consideration of scenarios with local fuel leaks and possible shock or explosive waves. The research consists of: Finalization of original programs for modeling non-stationary inviscid gas flows, implementation of support of model combustion kinetics and numerical methods of an increased approximation order for chemically reacting mixtures. Numerical simulation of the interaction of a plane strong shock wave in an inert gas with an ellipsoidal bubble filled with a reactive gas mixture of increased density. A detailed description of the process of refraction and focusing of a shock wave. A series of calculations — a parametric study of the problem depending on the intensity of the incident wave, the density of the reacting mixture, and the shape of the bubble. Definition and classification of the observed ignition regimes of the mixture in the bubble. Numerical simulation of the interaction of a shock wave in a combustible gas mixture with an ellipsoidal bubble filled with the same reacting mixture with an admixture of a dense gas or an inert heavy gas. A parametric study of the problem depending on the intensity of the incident wave, the composition of the mixture and the shape of the bubble. Definition and classification of the observed ignition regimes of the mixture inside or outside the bubble. Expected results: The influence of flow parameters — wave intensity, inhomogeneity form (gas bubble of a different chemical composition) and the reactivity of the surrounding gas mixture — on the occurrence of detonation due to the refraction and focusing of the shock wave in inhomogeneous combustible gas mixtures will be determined. The basic classification of detonation initiation modes is carried out: at least four qualitatively different four modes are expected to be observed - (1) direct initiation upon the penetration of a shock wave from an inert gas into the reacting mixture in the bubble, (2) ignition near the center of the three-shock configuration inside the bubble, which is realized for less intense waves , (3) ignition at the focal point of the transverse waves inside the bubble for the case of even less intense waves and more elongated bubbles, and (4) ignition during focusing of the wave in the reaction the mixture outside the bubble. An estimate is obtained of a decrease in the limiting intensity of the incident shock wave, sufficient to ignite the mixture due to refraction and focusing of the wave, in comparison with direct initiation of detonation.
-
Планируемые результаты:
Будет определено влияние параметров течения - интенсивности волны, формы неоднородности (пузыря газа иного химического состава) и реакционной способности окружающей газовой смеси - на возникновение детонации за счет эффекта преломления и фокусировки ударной волны в неоднородных горючих газовых смесях. Проведена базовая классификация режимов инициирования детонации: ожидается наблюдение как минимум качественно различных четырех режимов - (1) прямое инициирование при проникновении ударной волны из инертного газа в реагирующую смесь в пузыре, (2) воспламенение вблизи центра трехударной конфигурации внутри пузыря, реализующееся для менее интенсивных волн, (3) воспламенение в точке фокусировки поперечных волн внутри пузыря для случая еще менее интенсивных волн и более вытянутых пузырей, а также (4) воспламенение при фокусировке волны в реагирующей смеси снаружи пузыря. Получена оценка уменьшения предельной интенсивности падающей ударной волны, достаточной для воспламенения смеси за счет преломления и фокусировки волны, по сравнению с прямым инициированием детонации.
-
Научный задел:
Разработаны оригинальные программы для моделирования нестационарных невязких течений газовых смесей. В программах реализованы современные WENO-методы высокого порядка точности. Имеется опыт применения технологий массовых параллельных вычислений с использованием ресурсов суперкомпьютерного комплекса МГУ имени М.В. Ломоносова, позволяющих проводить двумерные и трехмерные расчеты на подробных расчетных сетках. Успешно решен ряд задач газовой динамики, в том числе о взаимодействии ударных волн с газовыми неоднородностями.
- Добавил в систему: Сутырин Олег Георгиевич
Источник финансирования НИР
| грант Президента РФ |
Этапы НИР
| # | Сроки | Название |
| 1 | 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. | МК-3012.2019.1 Инициирование горения и детонации при распространении ударных волн по неоднородным горючим газовым смесям |
| Результаты этапа: Модернизирован собственный программный комплекс для численного моделирования нестационарных течений химически реагирующих многокомпонентных газовых смесей с ударными волнами: реализована поддержка конечно-объемного метода семейства “MUSCLE” с линейной реконструкцией величин на границах расчетных ячеек, ограничителем потоков ван Лира и HLLC-схемой решения локальных задач о распаде разрыва, обеспечивающего второй порядок аппроксимации по пространству и времени. Для моделирования химической реакции с тепловыделением применяется одностадийная кинетика горения пропана Вестбрука-Драйера, позволяющая описывать ключевые эффекты детонационного горения, включая характерную ячеистую структуру фронта детонации. Выполнено численное исследование двумерной задачи о взаимодействии ударной волны в воздухе при нормальных условиях с реагирующим эллипсоидальным газовым цилиндром – «двумерным пузырем» без оболочки, заполненным стехиометрической пропано-воздушной смесью с добавлением тяжелого газа – ксенона. Добавление тяжелой примеси необходимо для достижения интенсивного внутреннего режима фокусировки волны, а выбор ксенона обусловлен сочетанием его высокой плотности и низкой теплоемкости. Детально описаны различные режимы воспламенения смеси и показана их существенная зависимость как от интенсивности падающей волны, так и от формы пузыря: 1) При достаточно больших числах Маха падающей волны происходит прямое инициирование горения смеси у «наветренного» края пузыря за счет непосредственного разогрева смеси при проникновении ударной волны пузырь. 2) Для более слабых скачков воспламенение может происходить вблизи формирующейся при преломлении волны внутри пузыря трехударной конфигурации ("тройной точки"). В окрестности тройной точки формируетмся область интенсивного тепловыделения, генерирующая дополнительные ударные волны, взаимодействие которых с вторичными газодинамическими скачками уплотнения внутри пузыря приводит к инициированию детонации. 3) Для еще более слабых скачков возможно инициирование детонации в области фокусировки вторичных поперечных скачков уплотнения у «подветренного» края пузыря. В этом случае для достижения достаточной для воспламенения интенсивности фокусировки скачков внутри пузыря необходимо существенное вытягивание формы пузыря вдоль направления распространения падающей волны. На основе параметрического исследования определена зависимость режима инициирования детонации от числа Маха волны и отношения диаметров пузыря. Обнаружено, что для сплюснутых пузырей, в силу слабой выраженности эффектов преломления падающей волны, реализуется только прямой режим инициирования детонации при числе Маха волны не менее 3.2. При увеличении отношения диаметров пузыря реализуется инициирование детонации вблизи трехударной конфигурации при преломлении волны меньшей интенсивности (число Маха от 2.8). При дальнейшем удлинении пузыря и уменьшении числа Маха падающей волны реализуется инициирование детонации при фокусировке поперечных скачков уплотнения (число Маха от 2.4). В целом за счет удлинения пузыря критическое число Маха может быть снижено примерно на 35% по сравнению с прямым инициированием детонации. | ||
| 2 | 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. | МК-3012.2019.1 Инициирование горения и детонации при распространении ударных волн по неоднородным горючим газовым смесям |
| Результаты этапа: Модернизирован собственный программный комплекс для численного моделирования нестационарных течений химически реагирующих многокомпонентных газовых смесей с ударными волнами: математическая модель - уравнения Эйлера - дополнена уравнением переноса молярной массы газа. Такое расширение позволяет моделировать течения газовых компонент с существенно различными термодинамическими характеристиками. Для моделирования химической реакции с тепловыделением применяется двухстадийная кинетика горения Коробейникова-Левина "индукция-реакция", позволяющая описывать более широкий класс эффектов детонационного горения, включая задержку воспламенения и детальную ячеистую структуру фронта детонации. Выполнено численное исследование двумерной задачи о взаимодействии ударной волны в горючей газовой смеси при нормальных условиях с эллипсоидальным газовым цилиндром – «двумерным пузырем» без оболочки, заполненным инертным газом с молярной массой, в три раза превышающей молярную массу окружающего реагирующего газа. Рассмотрены различные значения числа Маха падающей волны и степени удлинения инертного пузыря, описано преломление и фокусировка падающей волны. Обнаружены качественно различные режимы инициирования детонации газа, включая: 1. Прямое инициирование сильной волной за счет непосредственного разогрева горю-чей газовой смеси во фронте волны; 2. Воспламенение при отражении волны средней интенсивности от «наветренной» границы пузыря, обусловленное повышением давления и температуры смеси при отражении волны от более плотного газа; 3. Детонацию при фокусировке вторичных скачков уплотнения вблизи «подветренного» полюса пузыря при меньших числах Маха волны. На основе серии расчетов для различных чисел Маха волны (от 2.0 до 3.5) и форм пузыря (отношение диаметров сечения от 0.7 до 1.44) получена оценочная карта режимов инициирования детонации. Достаточно сильные ударные волны (M > 2.9) приводят к детонации при отражении волны независимо от формы пузыря. Для круглых и вытянутых пузырей детонация при фокусировке волн происходит при 2.7 ≤ M ≤ 2.9. Тривиальный режим детонации – за счет прямого разогрева в исходной волне – реализуется при M ≥ 4.0. Таким образом, определены два два механизма снижения критического числа Маха па-дающей волны – достаточного для инициирования детонации – за счет наличия тяжелого пузыря: он служит препятствием, от которого волна может отразиться, и «газовой линзой», фокусирующей волну. Первый эффект снижает критическое число Маха при-мерно на 25%, а второй еще на 10%. В обоих случаях снижение достаточно велико для того, чтобы это явление было необходимо учитывать в технических приложениях. Дополнительно, была исследована задача о взаимодействии ударной волны с газовым пузырем повышенной плотности вблизи твердой стенки в инертном газе. Описан процесс преломления и фокусировки ударной волны – отражения поперечных скачков уплотнения от плоскости симметрии течения и от стенки. Обнаружено, что в зависимости от определяющих параметров задачи реализуются качественно различные режимы течения, в которых фокусировка волны на плоскости симметрии происходит до или после начала отражения волны от стенки. Показано, что наличие тяжелого пузыря вблизи стенки многократно усиливает импульсную ударно-волновую нагрузку на стенку. Определена зависимость пикового значения давления, достигаемого на стенке, от числа Маха падающей волны, плотности газа в пузыре и начального расстояния между пузырем и стенкой. В ряде случаев эта зависимость существенно немонотонна по плотности газа в пузыре и расстоянию от пузыря до стенки. | ||
Прикрепленные к НИР результаты
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".