РНФ 14-19-01759: Создание виртуальных аналогов экспериментальных установок как компонентов комплексного исследования быстропротекающих газодинамических процессовНИР

Virtual analogs of experimental setup as a component of complex investigation of quick gas-dynamic processes

Соисполнители НИР

Российский Научный Фонд Координатор

Источник финансирования НИР

грант РНФ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2014 г.-31 декабря 2014 г. Создание виртуальных аналогов экспериментальных установок как компонентов комплексного исследования быстропротекающих газодинамических процессов. Этап 1.
Результаты этапа: Реализована концепция виртуальной экспериментальной установки, представляющей собой программный комплекс с графическим интерфейсом, позволяющий для заданного ограниченного класса задач задавать входные параметры, а на выходе получать динамику полей газодинамических параметров, визуализируемых в программе во время расчета, а также осциллограмм интегральных характеристик или параметров в точках внутри и на границе области течения. К настоящему времени разработано шесть базовых версий специализированных программных комплексов, представляющих собой виртуальные экспериментальные установки: 1. Установка, моделирующая газодинамические процессы в импульсной установке НИИ механики МГУ с кольцевым или двухщелевым соплом. Кольцевые и двухщелевые сопла имеют большие перспективы для использования в реактивных двигателях. 2. Установка, моделирующая процессы в сверхзвуковой аэродинамической трубе Института прикладной механики РАН. Она может быть использована для исследования обтекания различных тел сверхзвуковым потоком с целью решения следующих прикладных проблем: 1) разработка системы снижения сопротивления головных частей летательных аппаратов; 2) создание интеграционной схемы ГПВРД; 3) разработка конструкции двухконтурных прямоточных камер сгорания; 4) создание камер сгорания, работающих на твердом и пастообразном горючем. 3. Установка для сравнения сопел различной конструкции с учетом имеющихся ограничений на габариты и условия эксплуатации, а также для проведения многопараметрической оптимизации геометрии сопла. В программном комплексе реализована возможность проведения сравнительных расчетов с двухщелевыми, кольцевыми соплами и соплами Лаваля, изменения геометрии сопел в широких пределах с измерением тяговых характеристик устройства при различных параметрах потока. 4. Виртуальный стенд, моделирующий установку Института общей физики РАН для исследования ударно-волновых процессов, инициированных кольцевым электрическим разрядом. Предполагается использование установки для дистанционного управления процессом горения посредством тороидальных ударных волн. В программном комплексе реализована возможность задания размеров, формы и энергии разряда, начального состава смеси, а также размеров цилиндрической области течения, твердые стенки которой позволяют значительно усилить эффект кумуляции. 5. Виртуальный стенд, моделирующий трехмерную ячеистую и спиновую детонацию в протяженных каналах различного поперечного сечения. В программном комплексе реализована возможность задания длины канала, размеров и формы поперечного сечения, возможность стыковки различных секций каналов (например, цилиндрических разного радиуса). Для быстрого проведения расчетов в таких задачах, требующих очень больших вычислительных ресурсов, реализовано распараллеливание на основе MPI и обеспечена прямая связь программного комплекса с суперкомпьютером «Ломоносов». Расчеты проводились вплоть до количества расчетных ячеек, равного 10 миллиардам. 6. Виртуальная установка для численного моделирования плоских и осесимметричных течений многокомпонентных реагирующих газовых смесей при наличии областей детонационного горения. Проведен анализ ряда кинетических механизмов, описывающих горение газообразных смесей водорода и углеводородов с окислителем, на основе которого созданы и включены в программный комплекс подпрограммы для численного моделирования детонационного горения в рамках выбранных многостадийных кинетических моделей. Выбор кинетического механизма, который будет использоваться при численном моделировании, осуществляется пользователем. Разработанная версия комплекса позволяет модифицировать начальные и граничные условия, геометрические параметры исследуемого течения, вводить различные области энергоподвода. Для распараллеливания расчетов в комплексе используется технология параллельного программирования OpenMP. Проведена верификация комплекса на ряде тестовых задач. Во всех программных комплексах реализовано задание соответствующих входных параметров в интерфейсе пользователя, а также реализована динамическая визуализация. Проведены эксперименты на установках НИИ механики МГУ, ИПРИМ РАН и ИОФ РАН, по результатам которых были протестированы разработанные виртуальные установки. Сравнение полученных теоретических и экспериментальных данных показало хорошее соответствие. Виртуальные установки получили высокую оценку экспериментаторов и используются ими для анализа условий планируемых экспериментов и предварительной оценки их результатов.
2 1 января 2015 г.-31 декабря 2015 г. Создание виртуальных аналогов экспериментальных установок как компонентов комплексного исследования быстропротекающих газодинамических процессов. Этап 2.
Результаты этапа: 1. В отчетном году проводились работы по совершенствованию старых и разработке новых виртуальных экспериментальных установок, используя постановки и данные новых реальных экспериментов, проводящихся в НИИ механики МГУ и ИПРИМ РАН. Посредством введения в компьютерные программы соответствующих вычислительных модулей созданы вторые версии виртуальных установок, учитывающие эффекты переноса и химические реакции с одностадийной и с проверенной многостадийной химической кинетикой для расчета процессов горения и детонации. Выполнены расчеты для верификации программных комплексов на основании сравнения с точными решениями и с данными экспериментов. Проведены новые вычислительные и натурные эксперименты для оптимизации параметров виртуальных установок на основе анализа полученных результатов. Проведена адаптация всех виртуальных установок к многоядерным персональным компьютерам и суперкомпьютерам (в частности, суперкомпьютеру «Ломоносов»). 2. Получены неизвестные ранее и потому еще не использовавшиеся в современных численных методах законы сохранения для вязких и невязких течений несжимаемой жидкости и сжимаемого газа, которые могут быть использованы для проверки соответствия математических моделей реальным процессам. Верификацию каждого конкретного расчета можно сделать путем проверки законов сохранения, которые не заложены в основу используемых численных схем и выполняются для выбранной математической модели исследуемого процесса. Для широкого класса контуров найдена скорость такого их движения, при котором по контуру сохраняется циркуляция скорости среды. Этот новый закон сохранения может использоваться для верификации расчетов, полученных любыми численными методами, если только обеспечена достаточная точность вычисления циркуляции по движущемуся контуру. Такую точность обеспечивают, в частности, конечно-разностные схемы. Полученный в работе общетеоретический результат уже на сегодняшний день имеет рекомендуемую область практического применения – проверка расчетов, полученных конечно-разностными схемами. 3. С использованием разработанного программного комплекса проведено исследование устойчивости течения со стабилизированной детонационной волной, формирующегося при ее инициировании в стехиометрической водородно-воздушной смеси, поступающей в плоский симметричный канал с сужением со сверхзвуковой скоростью, превышающей скорость распространения детонации. Установлено, что в канале, геометрические параметры которого обеспечивают стабилизацию детонации при числе Маха входящего потока 5.2, формирующееся течение со стабилизированной детонационной волной устойчиво к вызванным энергоподводом сильным возмущениям, не приводящим к формированию детонационного горения смеси выше по потоку некоторого (критического) сечения канала. 4. На основе уравнений Навье-Стокса проведено численное параметрическое исследование в рамках ламинарной модели течения влияния различных факторов на развитие по времени начальных возмущений, вызванных запуском выходного соплового устройства в импульсной аэродинамической установке НИИ механики МГУ, продуваемого воздухом. Проведено сравнение расчетных значений ряда параметров с соответствующими экспериментальными данными, полученными в импульсной аэродинамической установке. Обнаружены режимы течений, при которых стартовые возмущения, сопровождающие запуск кольцевого сопла, не затухают, а переходят в квазипериодический режим. Определены частотный Фурье спектр пульсаций давления в центре тяговой стенки дефлектора и величина тяги сопла. Данные расчетов и экспериментов по пульсирующим сигналам давления находятся в хорошем соответствии. 5. Продолжены теоретико-экспериментальные исследования на сверхзвуковой аэродинамической трубе Института прикладной механики РАН по совершенствованию теплогазоаэродинамических характеристик силовых установок малоразмерных летательных аппаратов путем разработки эффективных методов построения интегрированных (совмещённых) схем камер сгорания и сопел ГПВРД на твердом и пастообразном горючем в до- и сверхзвуковом потоке воздуха и снижения сопротивления. Получены экспериментальные данные по характеристикам факела пламени (геометрические характеристики) при лобовом горении различных видов топлива как в дозвуковом, так и в сверхзвуковом потоке воздуха в зависимости от определяющих параметров. Разработана экспериментальная модель ПВРД и получены данные экспериментов при исследовании донного горения пастообразного топлива в модели ПВРД при её испытании в импульсной трубе. Проведено исследование горения твёрдого топлива внутри канала модели ПВРД и получены экспериментальные данные по лобовому горению твёрдого керосина и шашки твёрдого топлива в кормовой совмещённой камере-сопле в качестве основного силового элемента донной тяги модели ПВРД. Проведено исследование сопротивления жидко-воздушного обтекателя (ЖВО) в сверхзвуковом потоке, который представляет собой затупленный цилиндр с трёхсекционной иглой, через которую нормально к набегающему потоку подавался под давлением жидкий керосин. Установлено, что благодаря ЖВО лобовое сопротивление снижается в 2,8 раза по сравнению с головной частью, оборудованной пассивной иглой. 6. Описанные выше эксперименты реализованы в виртуальных экспериментальных установках НИИ механики МГУ: – разработана математическая модель и проведены численный расчёт факела пламени при фронтальном обдуве шашек твердого и пастообразного горючего дозвуковым и сверхзвуковым потоком нагретого воздуха в свободном пространстве; – разработана математическая модель совмещённой камеры сопла с учётом формы факела пламени при горении твёрдого керосина и шашки твёрдого топлива; – разработана математическая модель ЖВО и газовоздушного обтекателя (ГВО) и начато исследование обтекания затупленного тела с иглой сверхзвуковым потоком воздуха при подаче в различной комбинации ансамбля струй воздуха нормально или под углом к набегающему потоку с целью определить структуру потока в окрестности затупленного тела и аэродинамические характеристики ЖВО и ГВО.
3 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. Создание виртуальных аналогов экспериментальных установок как компонентов комплексного исследования быстропротекающих газодинамических процессов. Этап 3.
Результаты этапа: 1. Созданы заключительные, универсальные версии виртуальных установок для численного моделирования на персональных компьютерах с многоядерным процессором, на многопроцессорных серверах, на компьютерах с установленным одним или несколькими сопроцессорами Intel Xeon Phi или на суперкомпьютерах с помощью удаленного доступа. В программные комплексы включены функции по работе с сопроцессорами Intel Xeon Phi, оформлены функции, позволяющие для конкретных конфигураций расчетных областей проводить разбиение на расчетные блоки, проведено тестирование и необходимая коррекция всех элементов программных комплексов. Проведено объединение программных комплексов в единую специальную программу для численного моделирования ударных, взрывных и детонационных процессов в открытом пространстве, двумерных и трехмерных камерах сгорания сложной формы, на которую получено Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2016612193 от 19 февраля 2016 г. «Программа для численного моделирования ударных, взрывных и детонационных процессов в открытом пространстве, двумерных и трехмерных камерах сгорания сложной формы». На основании проведенных сравнительных расчетов тестовых задач на имеющихся в лаборатории персональных компьютерах с использованием различного количества процессорных ядер от 1 до 4 и на суперкомпьютере МГУ «Ломоносов» с использованием от 1 до 1024 процессорных ядер установлено, что эффективность распараллеливания сильно зависит от сложности систем химической кинетики. 2. В целях расширения и совершенствования вычислительной базы виртуальных моделей разработаны программы расчета одно-, двух- и трехмерных нестационарных течений совершенного газа на основе FCT и TVD вариантов схемы МакКормака. Выполнена верификация алгоритмов и программ с использованием современных тестов, описанных в работе (Лиска, Вендрофф 2003) и других. Проведенное исследование показало, что FCT и TVD варианты схемы МакКормака при должной настройке и измельчении расчетной сетки обеспечивают результаты, сравнимые по качеству с более современными и значительно сложными численными методами. 3. В продолжение разработки средств разностороннего тестирования математических моделей и проверки их соответствия реальным процессам исследованы стационарные течения идеального совершенного газа и на основе теоремы Эйлера – Эртеля получен новый инвариант линий тока стационарных осесимметричных незакрученных течений идеального совершенного газа и предложен новый метод верификации численных расчетов баротропных незакрученных осесимметричных течений, основанный на проверке полученного инварианта. Проведена модернизация программного комплекса для численного моделирования плоских и осесимметричных течений многокомпонентных реагирующих газовых смесей с волнами детонации с использованием детальной кинетики. Расширен доступный пользователю набор кинетических механизмов, предоставлена возможность исследования течений газовзвеси мелких инертных частиц пыли и модификации начальных и граничных условий, а также геометрических параметров области течения. В комплексе реализована технология гибридного распараллеливание расчетов MPI/OpenMP, которые проводились на суперкомпьютере «Ломоносов» МГУ. 4. Продолжено изучение и получены новые данные по устойчивости течения со стабилизированной детонационной волной, формирующегося в результате инициирования детонационного горения стехиометрической водородно-воздушной смеси, поступающей в плоский симметричный канал с сужением со сверхзвуковой скоростью, превышающей скорость распространения самоподдерживающейся детонации. Установлена возможность управления положением стабилизированной детонационной волны в канале с пережатием, выходное сечение которого превышает входное. Получены новые данные о влияние изменений числа Маха входящего потока, запыленности поступающей в канал горючей смеси и размера выходного сечения на детонационное горение в потоке. Выявлен ряд механизмов управления положением стабилизированной детонационной волны. 5. Численно в оригинальном программном комплексе – «виртуальной экспериментальной установке», решена задача об инициировании детонации в сверхзвуковом потоке стехиометрической пропановоздушной смеси, заполняющей все поперечное сечение плоского канала с изгибом. В зоне изгиба стенки канала имеют форму дуг окружностей заданных радиусов, длина которых определяется заданным углом его поворота. Установлено, что инициирование детонации происходит в результате формирования в канале ударно-волновых конфигураций, связанных с поворотом потока. Построена карта режимов течения в плоскости скорость-угол поворота канала. Установлено, что в зависимости от величины отношения ширины канала к радиусу кривизны его изгиба, формируется три вида течения: без детонации; с детонационной волной, выходящей из канала через входное сечение, и режим со стационарной детонацией. 6. Сформулирована задача, моделирующая процесс сжигания горючей смеси во вращающейся детонационной волне. Она включает в себя систему трехмерных уравнений Эйлера совместно с уравнениями химической кинетики, начальные и граничные условия. Сформулирована модель инициатора детонации энергоподводом, который позволяет задавать направление ее вращения. Проведено численное исследование параметров нестационарного потока при вращении волны детонации в камере сгорания при подаче горючей смеси по всему ее торцу. С целью исследования поведения вращающейся детонации при изменении условий подачи смеси в камеру сгорания были рассмотрены два процесса с линейными законами убывания термодинамических параметров в резервуаре с покоящейся горючей смесью – один при уменьшающемся давлении и постоянной температуре, а второй – при убывающей температуре и постоянном давлении. Установлено, что при изменяющихся со временем параметрах торможения горючей смеси в камере сгорания сохраняется вращающаяся детонационная волна. При переменном давлении в резервуаре вращающаяся детонация существует до момента времени, когда давление торможения в резервуаре становится равным критическому значению, а при переменной температуре вращающаяся детонация не срывается в течение длительного времени. При уменьшающемся давлении в резервуаре усредненное по периоду отношение полного давления к давлению торможения в целом немного возрастает со временем от 1.3±0.07 до 1.5±0.06. При убывающей температуре в резервуаре усредненное по периоду отношение полного давления к давлению торможения существенно зависит от времени и возрастает от 1.3±0.07 до 1.83±0.17. 7. Проведены исследования связанные с разработкой перспективных реактивных двигателей, в которых реализуется новая эффективная технология двухстадийного сжигания топлив в выходном устройстве с кольцевым соплом. При этом первая стадия сжигания происходит в дозвуковом генераторе энергонасыщенной среды, из которого подготовленные компоненты поступают через сверхзвуковое радиальное кольцевое сопло в высокочастотную камеру сгорания – резонатор с дефлектором в качестве тяговой стенки. Выполненные теоретико-экспериментальные исследования дали информацию о механизме возбуждения пульсационного режима, что важно для выяснения возможностей управления частотой пульсаций. Проведены эксперименты и получены новые данные о незатухающих квазипериодических режимах течений продуктов сгорания ацетиленовоздушных смесей в кольцевом сопле с внутренним дефлектором. Сделано сравнение экспериментальных данных по пульсациям давления на тяговой стенке сопла с расчетными значениями, полученными на основе уравнений Навье-Стокса. В расчетах также обнаружены режимы течений, при которых стартовые возмущения, сопровождающие запуск сопла, не затухают, а переходят в квазипериодический режим. В расчетах и экспериментах установлено, что амплитуды пульсационных колебаний существенно возрастают с увеличением температуры торможения вдуваемого в сопло газа. 8. Проведена модернизация экспериментальной установки «Ударная труба “Квадрат”» для исследования нестационарного взаимодействия ударных волн с газовыми неоднородностями. На ней установлен новейший быстродействующий клапан КБ-80-50. По геометрическим параметрам ударной трубы разработана ее виртуальная осесимметричная и трехмерная модель и проведены предварительные расчеты, по результатам которых проведена коррекция геометрии модели и постановки начально-краевой задачи.

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".