ИСТИНА

Цель проекта - трехмерное вычислительное моделирование горения, детонации и переходных процессов на многопроцессорных супер-ЭВМ. В настоящее время математическое моделирование таких процессов требует высокой степени пространственного разрешения, сравнимого с толщиной зоны реакции. Это делает расчеты реальных процессов развития детонации или ее подавления в областях сложной геометрии трудно выполнимыми в течение разумного времени. Поэтому применение для этой цели параллельных вычислений на суперЭВМ представляется весьма перспективным. С другой стороны моделирование таких сложных взаимозависимых процессов, как взаимодействие химических, физических и газодинамических процессов в турбулентных потоках не поддается распараллеливанию "напрямую", а производительность вычислительного комплекса не прямо пропорциональна числу подключаемых процессоров. Поэтому одной из основных задач проекта будет разработка методов распараллеливания вычислений переходных процессов при распространении горения в неоднородных средах, и определение зависимости скорости вычислений от количества подключаемых процессоров. Предполагается также проведение широкомасштабного тестирования разработанных вычислительных комплексов путем сравнения результатов расчетов модельных задач с точными решениями задач о распаде произвольного разрыва в реагирующем газе, а также путем сравнения результатов расчетов с экспериментальными данными.

1. Создание и отладка трехмерных программ параллельных вычислений для супер-ЭВМ переходных процессов в химически реагирующих газовых смесях. 2. Создание и отладка трехмерных программ параллельных вычислений переходных процессов в гетерогенных средах. 3. Тестирование программ путем сравнения полученных численных результатов с имеющимися точными решениями.

Можно выделить следующие наиболее важные результаты, полученные коллективом, которые найдут применение в данном проекте: - Впервые экспериментально обнаружено и теоретически обосновано существование пяти различных сценариев перехода горения в детонацию в газообразных смесях углеводородных горючих с воздухом, только два из которых соответствовали известным ранее представлениям о переходе горения в детонацию. - Разработана теоретическая модель перехода горения в детонацию в гомогенных газовых горючих смесях, описывающая все характерные стадии процесса: зажигание, ускоряющееся турбулентное горение, образование горячих точек перед фронтом пламени, возникновение детонационных и ретонационных волн, пересжатые режимы и выход на самоподдерживающуюся детонацию. - Теоретически исследованы структура зоны за искривленной детонационной волной, которая оказывает влияние на распространение волны. Теоретически и экспериментально показано, что: - зарождение детонации происходит в горячих точках на контактных поверхностях, образованных при взаимодействиях волн перед фронтом пламени, - при возникновении в горячей точке волны горения она распространяется значительно медленнее, что дает время для воспламенения в других горячих точках и, в конечном итоге, может также привести к возникновению волны детонации. - Исследовано управление процессом перехода горения в детонацию в гомогенных газовых и гетерогенных горючих смесях. - Исследовано влияние полидисперсного характера горючей смеси на режим перехода горения в детонацию. - Разработан трехмерный газодинамический код для решения задач горения и детонации на неструктурированных сетках, допускающий многостадийные механизмы реакции, для супер-ЭВМ, содержащей универсальные процессоры. - Разработаны программы параллельных вычислений процессов развития детонации для гибридных вычислительных систем, содержащих графические ускорители.

1. Сделан обзор нестационарных переходных режимов распространения самоподдерживающихся экзотермических волн в метастабильных средах различных типов. А именно, рассматривается переход от одного самоподдерживающегося режима к другому. К таким процессам относится переход волн дефлаграции в волны детонации в гомогенных и гетерогенных горючих смесях. Под режимами дефлаграции и детонации в широком смысле будем подразумевать распространение самоподдерживающихся экзотермических волн в среде, когда различие механизмов распространения приводит к существенным различиям структуры волн, дозвуковой и сверхзвуковой скоростям их распространения. 2. Проведено трехмерное вычислительное моделирование горения, детонации и переходных процессов на многопроцессорных супер-ЭВМ. В настоящее время математическое моделирование таких процессов требует высокой степени пространственного разрешения, сравнимого с толщиной зоны реакции. Это делает расчеты реальных процессов развития детонации или ее подавления в областях сложной геометрии трудно выполнимыми в течение разумного времени. Поэтому применение для этой цели параллельных вычислений на суперЭВМ представляется весьма перспективным. Показано, что моделирование таких сложных взаимозависимых процессов, как взаимодействие химических, физических и газодинамических процессов в турбулентных потоках не поддается распараллеливанию "напрямую", а производительность вычислительного комплекса не прямо пропорциональна числу подключаемых процессоров. 3. Проведено широкомасштабное тестирование разработанных вычислительных комплексов путем сравнения результатов расчетов модельных задач с точными решениями задач о распаде произвольного разрыва в реагирующем газе, а также путем сравнения результатов расчетов с экспериментальными данными по распространению волн в сложных геометрических конфигурациях. Проведено уточнение моделей химических взаимодействий и турбулентности, исходя из сравнения результатов с экспериментальным базисом неравновесных переходных процессов в смесях водорода с воздухом при отражении ударных волн от внутренних поверхностей клина и конуса. 4. Разработанная математическая модель перехода горения в детонацию в гомогенных и гетерогенных смесях, позволила изучить все характерные стадии процесса: зажигание, ускоряющееся турбулентное горение, образование горячих точек перед фронтом пламени, возникновение детонационных и ретонационных волн, пересжатые режимы и выход на самоподдерживающуюся детонацию. В отличие от существующих в мире вычислительных кодов достигнуто не только качественное, но и количественное совпадение результатов моделирования переходных процессов с экспериментальными данными. 5. Показано, что возникновение детонации за счет фокусировки сильной ударной волны происходит в режиме пересжатой детонации. Затем детонационная волна замедляется до самоподдерживающегося режима. 6. Переходный режим имеет следующие характерные этапы. Сначала за ударной волной появляется горячая точка, которая впоследствии быстро увеличивается во всех направлениях, тем не менее отставая от ударной волны. Таким образом формируется волна горения. Во-вторых, зона горения увеличивается и фронт волны становится неустойчивым. Морщины образуются на переднем фронте, что особенно заметно в плоскости, ортогональной клину. В-третьих, скорость волны горения резко возрастает, особенно в сморщенной зоне, морщины становятся глубже, образуются карманы несгоревшей смеси, окруженные горячими продуктами реакции. Далее в одном из карманов вблизи оси возникает “взрыв во взрыве”, что ведет к формированию детонационной волны. Детонационная волна начинает отражаться от боковых стенок цилиндра и далее распространяться в виде детонационных и ретонационных волн во всех направлениях.