Крупный научный проект Министерства науки и высшего образования РФ «Фундаментальные исследования процессов горения и детонации применительно к развитию основ энерготехнологий» (Соглашение № 075-15-2020-806)НИР

Major scientific project of the Ministry of Science and Higher Education of the RF "Fundamental studies of combustion and detonation processes in relation to the development of the foundations of energy technologies"

Соисполнители НИР

ИТ СО РАН Координатор

Источник финансирования НИР

Хоздоговор, ИТ СО РАН

Этапы НИР

# Сроки Название
1 17 августа 2020 г.-31 декабря 2020 г. Этап № 1 2020 г.
Результаты этапа: 1. Разработан программный модуль для численного моделирования двумерных те-чений с детонационными волнами в смесях H2+O2/воздух с различными добавками на основе схемы второго порядка Годунова-Колгана-Родионова с использованием детальных кинетических механизмов горения водорода. Проведена верификация работы модуля на ряде одномерных и двумерных тестовых задач. Выполнены те-стовые расчеты ячеистой детонационной волны в плоском канале в чистой водо-родно-воздушной смеси и с добавлением озона. 2. Сформулирована математическая модель и разработан вычислительный ком-плекс для исследования многомерных нестационарных течений реагирующих мно-гокомпонентных газовых смесей со скачками уплотнения, позволяющий проведе-ние массовых параллельных вычислений. Проведено тестирование комплекса на задаче о распространении ячеистой детонационной волны в канале и об иницииро-вании детонации ударной волной в покоящейся горючей газовой смеси, содержа-щей эллиптическую область, заполненную тяжелым инертным газом, показавшее, что применяемая математическая модель и численный метод адекватно описывают процесс распространения и инициирования детонационной волны. 3. Оригинальный программный комплекс с графическим интерфейсом адаптирован к суперкомпьютеру МГУ «Ломоносов-2», имеющему производительность 1,85 ПФлопс. Обеспечена быстрая подготовка и запуск расчетов задач с равномерным распределением загрузки процессоров, а также процедура визуализации результа-тов расчетов. Модернизирован графический интерфейс программного комплекса, в который добавлена возможность задания набора химических реакций со стехио-метрическими коэффициентами и коэффициентами скоростей реакции. 4. Проведена подготовка импульсной аэродинамической установки НИИ механики МГУ для проведения экспериментальных исследований течений в моделях сопло-вых устройств с целью использования экспериментальных данных для верификации расчетных моделей. Начата разработка конструкторской документации для изго-товления дополнительных моделей сопел с внутренним дефлектором с меньшим условным диаметром выхлопа 20 и 40 мм для их последующих испытаний с целью оптимизации тяговых характеристик сопел и верификации расчетных моделей в расширенном диапазоне параметров сравнения. Полученные результаты могут быть использованы при планировании даль-нейших экспериментальных и теоретических исследований, а также при проектиро-вании энергоустановок.
2 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. Этап № 2 2021 г.
Результаты этапа: 1. Проведено численное моделирование детонационного горения стехиометрической водородно-воздушной смеси с добавками аргона и озона. Получены зависимости параметров двумерных волн детонации от размера ячеек. Установлено, что мольные доли вносимых добавок могут быть подобраны так, что размер ячейки волны детонации в полученной смеси будет близок к среднему размеру ячейки в чистой смеси, при этом скорость волны и температура продуктов детонации будут существенно снижены. Исследовано распространение сформированной ячеистой волны детонации в смеси с добавками, заполняющей тракт устройства, на внутренней поверхности которого расположена вставка с пористым покрытием (например, покрытая стальной ватой), для моделирования которой используется область с барьерами. Определены условия устойчивости ячеистой структуры при детонационном сгорании в указанных трактах. Обнаружено, что детонационная волна в смеси с добавками в концентрациях, не допускающих значимого увеличения размера ячейки, более устойчива к возмущениям, вызванным расположенными в канале препятствиями, чем в чистой смеси, что позволяет использовать указанные добавки для предотвращения гашения детонационного горения в трактах устройств с подобными вставками. 2. Проведено численное моделирование инициирования и распространения двумерной детонации в смесях с неоднородной концентрацией горючего компонента. В частности, исследовано инициирование детонации при взаимодействии ударной волны в инертном газе с горючим газовым пузырем повышенной плотности в двумерной плоской и осесимметричной постановках. Обнаружены три различных режима инициирования детонации в зависимости от интенсивности падающей волны и формы пузыря: прямое инициирование детонации в «наветренной» части пузыря и инициирование детонации в результате преломления волны и фокусировки вторичных скачков уплотнения в «подветренной» части пузыря. Задержки воспламенения и режимы инициирования детонации существенно зависят и от числа Маха падающей ударной волны, так и от формы пузыря. Удлинение пузыря приводят к уменьшению предельных чисел Маха, умеренно в осесимметричном случае и существенно в случае плоской симметрии. Численно исследовано инициирование детонации при взаимодействии ударной волны в горючем газе с эллипсоидальным пузырем инертного газа повышенной плотности в плоской и осесимметричной постановках. Рассмотрены различные числа Маха M падающей волны и отношения длин полуосей пузыря. Описаны различные режимы воспламенения смеси и определена их зависимость от интенсивности падающей волны и от формы пузыря. При достаточно больших числах Маха падающей волны инициирование горения смеси происходит непосредственно за счет разогрева в ударной волне. Для более слабых скачков воспламенение может происходить при отражении падающей ударной волны от границы раздела газов, незадолго перед фокусировкой (только в осесимметричном случае) и непосредственно при фокусировке падающей волны. Показано, что форма пузыря также играет важную роль, во многих случаях обеспечивая инициирование горения пузыря более слабой волной, или наоборот, отсутствие воспламенения по сравнению со сферическими пузырями. Полученные результаты могут быть положены в основу разработки новых методов инициирования и поддержания высокоскоростного горения в перспективных устройствах, основанных на детонационном сжигании газообразного или распыленного капельного топлива как в стационарном, так и в импульсном режимах. 3. В трёхмерной нестационарной постановке начато численное исследование течений с вращающимися волнами детонации в камере сгорания в форме кольцевого зазора между пластинами, которая является составной частью реактивного двигателя специальной конструкции. Расчёты проведены в оригинальном программном комплексе, в котором реализована схема С.К. Годунова. Удалось получить течения с одной, двумя, тремя и четырьмя вращающимися волнами детонации пропановоздушной смеси.
3 1 января 2022 г.-31 декабря 2022 г. Этап № 3 2022 г.
Результаты этапа: 1. Численно исследованы трехмерные нестационарные течения в камере сгорания в форме кольцевого зазора между пластинами с вращающейся многоголовой волной детонации пропановоздушной смеси, поступающей в камеру в направлении оси симметрии из резервуара с заданными параметрами торможения. Определены условия формирования заданного числа волн в многоголовой волне детонации, связанные с размерами камеры сгорания и параметрами инициаторов. Получены значения максимального числа волн при заданных размерах камеры сгорания. Установлено, что существование максимального критического значения числа волн в многоголовой детонации связано с блокировкой подачи горючей смеси. Получено, что при неравномерном расположении инициаторов постепенно происходит выравнивание взаимных углов между волнами, составляющими многоголовую детонацию. Проанализированы тяговые характеристики устройства в зависимости от количества одновременно вращающихся волн. Расчеты показывают, что камера сгорания в форме кольцевого зазора между пластинами является перспективной для создания тяги. 2. Проведено численное моделирование инициирования и распространения трехмерной детонации в смесях с неоднородной концентрацией горючего компонента. В частности, исследовано инициирование детонации при взаимодействии ударной волны в инертном газе с горючим газовым пузырем повышенной плотности в трехмерной постановке. Описана газодинамика взаимодействия волны с пузырем и процесса фокусировки поперечных волн с учетом трехмерных эффектов. На основе серии сравнительных расчетов в двумерной осесимметричной и трехмерной постановках качественно определена чувствительность пороговых чисел Маха падающей волны к окружной неустойчивости фронта фокусирующихся волн и искажению формы пузыря. Обнаружено, что при существенном отклонения формы пузыря от осесимметричной, пороговое число Маха незначительно возрастает. Полученные результаты могут быть положены в основу разработки новых методов инициирования и поддержания высокоскоростного горения в перспективных устройствах, основанных на детонационном сжигании газообразного или распыленного капельного топлива.
4 1 января 2023 г.-31 декабря 2023 г. Этап № 4 2023 г.
Результаты этапа: 1. Численно исследовано влияние добавок пероксида водорода и гелия в стехиометрическую водородно-воздушную смесь на параметры распространяющейся в плоском канале самоподдерживающейся волны детонации с целью снижения температуры продуктов горения без потери скорости волны и существенного увеличения детонационной ячейки, являющейся фундаментальной характеристикой детонационной способности смеси. Установлено, что мольные доли вносимых добавок могут быть подобраны так, что размер ячейки волны детонации в полученной смеси будет близок к среднему размеру ячейки в чистой смеси, при этом температура продуктов детонации будут существенно снижены, а скорость волны будет не меньше скорости распространения самоподдерживающейся волны в чистой смеси. 2. Проведено численное моделирование взаимодействия ударной волны в инертном газе с горючим газовым пузырем повышенной плотности, прилегающим к твердой стенке, в двумерной плоской постановке. Обнаружены три различных режима инициирования детонации в зависимости от интенсивности падающей волны и формы пузыря: прямое инициирование детонации в «наветренной» части пузыря и инициирование детонации в результате преломления волны, взаимодействия вторичных скачков уплотнения с отраженной от стенки волной и фокусировки вторичных скачков в «подветренной» части пузыря. Задержки воспламенения и режимы инициирования детонации существенно зависят как от числа Маха падающей ударной волны, так и от формы пузыря. Привнесение стенки радикально снижает пороговые числа Маха за счет усиления падающей волны при отражении и включения последней во взаимодействие с внутренними волнами. Наибольший эффект достигается в случае сплюснутых пристеночных пузырей, когда на плоскости симметрии происходит быстрая последовательная фокусировка поперечных и отраженных волн в непосредственной окрестности центра стенки. Эффект фокусировки волн детонации многократно увеличивает пиковое давление в центре стенки по сравнению со случаем плоского слоя горючего газа. Наибольший скачок давления наблюдается при оптимальной конфигурации детонационных волн, когда точки инициирования детонации находятся на небольшом удалении от плоскости симметрии. 3. Численно исследованы течения с многоголовой вращающейся детонацией в камере сгорания в форме кольцевого зазора между пластинами. Исследование проведено при числе волн, равном 1, 2, 4 и 8, и при давлении торможения, медленно уменьшающемся со временем по линейному закону. Установлено, что в зависимости от давления торможения могут реализовываться качественно различные удар-но-волновые структуры. а при величине давлении торможения, меньшей определенной критической, детонация разрушается. Получены данные о зависимостях от времени силовых характеристик тягового устройства. На основе численного моделирования сделан вывод о перспективности использования вращающейся детонации для создания реактивной тяги.

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".