РФФИ 18-01-00883 Горение и детонация в каналах и ограниченных объемахНИР

Combustion and detonation in channels and confined volumes

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. РФФИ 18-01-00883 Горение и детонация в каналах и ограниченных объемах. Этап 1.
Результаты этапа: 1. Исследована проблема инициирования детонации в сверхзвуковом потоке стехиометрической смеси пропан-воздух в изогнутом канале постоянной ширины в плоском двумерном и в трехмерном случаях. Получены условия, при которых формируются течения с волной детонации. 2. Сформулирована и исследована задача о трехмерном нестационарном течении с детонационной волной, вращающейся в кольцевом зазоре осесимметричного устройства между двумя параллельными плоскостями, перпендикулярными его оси симметрии. Предполагается, что однородная горючая смесь пропана с воздухом, покоящаяся в резервуаре с заданными параметрами торможения, поступает в кольцевой зазор через свою внешнюю цилиндрическую поверхность в направлении оси симметрии. Получены и проанализированы нестационарные ударно-волновые структуры, возникающие в процессе формирования стационарной вращающейся детонации. Исследована зависимость параметров вращающейся детонации от параметров торможения. 3. Проведена адаптация технологии НИИ механики МГУ HIGHTEMP для расчета пространственных реагирующих течений с учетом эффектов переноса и турбулентности применительно к исследованию процессов в модельной прямоточной камере сгорания. Построена трехмерная расчетная область и проведены тестовые расчеты в двумерной постановке по проблеме инициирования и стабилизации сверхзвукового горения керосино-воздушной смеси водородным пламенем, которые выявили характерные особенности структуры течения, в том числе с образованием волны детонации, в зависимости от параметров сверхзвукового потока воздуха, интенсивности инжекции водорода, его температуры, места расположения и размера области инжекции. 4. Проведена модернизация разработанного ранее оригинального программного комплекса для численного моделирования течений реагирующего газа с использованием современного детального кинетического механизма химического взаимодействия в смеси водорода с окислителем. Рассмотрено распространение детонационной волны в покоящейся стехиометрической водородно-воздушной смеси в плоском канале с поперечным препятствием, а также изучено инициирование и распространение детонации в стехиометрической водородно-воздушной смеси, поступающей со сверхзвуковой скоростью в плоский симметричный канал с сужением (пережатием). Установлена возможность инициирования стабилизированной детонации с помощью поперечного препятствия (барьера), исследовано влияние на процесс положения препятствия, его высоты и времени и изучена структура стабилизированной волны. В связи с проблемой управления детонацией изучена детонация покоящейся смеси, в которой часть молекулярного водорода и молекулярного кислорода замещалась соответствующими атомарными газами и установлено, что указанная замена приводит к уменьшению поперечного размера детонационной ячейки и увеличению скорости волны. Кроме того обнаружено, что скорость распространения детонации можно существенно уменьшить добавлением в горючую смесь мелких инертных частиц. Используя это, можно стабилизировать волну и влиять на ее положение в сверхзвуковом потоке в канале с сужением. 5. Проведено расчетно-экспериментальное исследование пульсаций силы тяги и давления газа на поверхности тяговой стенки в кольцевом и линейном двух щелевом соплах на импульсной аэродинамической установке НИИ механики МГУ с использованием продуктов сгорания ацетилено-воздушной смеси в качестве рабочего газа. Расчеты выполнены на основе уравнений Навье-Стокса для многокомпонентной реагирующей газовой среды в рамках химически неравновесной термохимической модели. Получены зависимости частоты и амплитуды колебаний давления в центре тяговой стенки и силы тяги от давления газа на входе и выходе сопла, от размера его критического сечения и формы дефлектора. 6. Проведено исследование пределов воспламенения и различных характеристик горения метановоздушных смесей с добавками водорода, ацетилена и бутана и показано, что присутствие в составе сжиженного природного газа указанных углеводородных добавок позволяет организовать его эффективное сжигание в камерах сгорания авиационных и ракетных двигателей. В широком диапазоне начальных параметров горючей смеси метан-кислород-азот рассчитаны времена задержки воспламенения (времени индукции), удовлетворительно согласующиеся с опубликованными экспериментальными данными.
2 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. РФФИ 18-01-00883 Горение и детонация в каналах и ограниченных объемах. Этап 2.
Результаты этапа: 1. Проведено численное исследование формирования спиновой детонации стехиометрической пропано-воздушной смеси в цилиндрическом канале эллиптического поперечного сечения. Расчеты проводились с помощью оригинального авторского программного комплекса на суперкомпьютере МГУ «Ломоносов». Рассматривались каналы с большой осью, равной диаметру круглого канала, в котором спонтанно формируется спин. Установлено, что существует такая критическая величина малой оси эллипса, что при меньших величинах спин не реализуется. Численно исследована устойчивость спиновой детонации: а) в круглом канале с коническим расширением или сужением, б) при плавном переходе из канала круглого сечения в канал эллиптического сечения, в) в канале с изгибом в форме тора. В случае а) получено, что начиная с маленькой длины переходного конуса, рассмотренной ранее, спин сохраняется, если диаметр основания конуса на выходе не превосходит максимального и минимального значения, полученных при минимальной длине конуса. В случае б) спин исчезает независимо от длины конуса и размеров осей эллипса в поперечном сечении. В случае в) спин не сохранялся для всех рассмотренных радиусов тора при углах изгиба, больших определенного малого критического значения. 2. Выполнена адаптация технологии НИИ механики МГУ HIGHTEMP для расчета пространственных реагирующих течений численным методом второго порядка с учетом эффектов переноса и турбулентности применительно к исследованию камер сгорания, в которых реализуется вращающаяся волна детонации. В двумерной постановке проведено численное исследование процессов инициирования и формирования вращающейся детонации пропано-воздушной смеси в узком зазоре между двумя коаксиальными цилиндрами, в который смесь поступает из резервуара с заданными параметрами торможения через торцевое кольцо в направлении оси цилиндров. Разработана двумерная модель взрывного инициирования детонации с заданным направлением вращения. Для фиксированной геометрии объекта проведены сравнительные расчеты для определения влияния вязкости, теплопроводности и турбулентности на инициирование и формирование вращающейся детонации, а также на ее устойчивость при изменении параметров торможения. Анализ динамики течения позволил сделать заключение, что при рассмотренных определяющих параметрах и на расчетных временах нет существенной разницы в развитии процесса с учетом и без учета эффектов переноса. 3. В рамках современного детального кинетического механизма химического взаимодействия численно исследовано детонационное горение покоящейся стехиометрической водородно-воздушной смеси в плоских каналах с препятствиями. Расчеты проводились на суперкомпьютере МГУ «Ломоносов» с использованием разработанного авторами программного комплекса. Исследовано взаимодействие распространяющейся в плоском канале ячеистой детонационной волны с одиночным поперечным барьером или областью барьеров, расположенной на одной из стенок канала. Область барьеров моделирует пористую вставку на внутренней поверхности канала, которая может способствовать ослаблению и гашению детонации. Как показали расчеты, результат взаимодействия волны с множественными препятствиями зависит от протяженности области, высоты барьеров и расстояния между ними. В частности, установлено, что существует критическая высота барьеров (или одиночного барьера), при превышении которой детонация гасится. В результате численного моделирования получено, что в случае предварительного разложения части молекулярного водорода и молекулярного кислорода в горючей смеси на атомарные газы критическая высота как одиночного препятствия, так и области барьеров существенно больше, чем в случае обычной смеси. Это указывает на возможность использования предварительной диссоциации части горючего и окислителя для предотвращения разрушения волны детонации в рассмотренных условиях. 4. Проведено теоретико-экспериментальное исследование пульсаций важнейшего с точки зрения практического использования сопел интегрального параметра - величины силы тяги, развиваемой кольцевыми и линейными двух щелевыми соплами с внутренним дефлектором, Впервые получены данные о частотных зависимостях и амплитуде колебаний величины силы тяги кольцевых и линейных двойных щелевых сопел в зависимости от их геометрии и условий на входе (выходе). Эксперименты проводились на импульсной аэродинамической установке НИИ механики МГУ. В качестве рабочего газа использовались продукты сгорания ацетилено-воздушной смеси, давление измерялось высокочастотными пьезоэлектрическими и тензометрическими датчиками, а сила тяги - тензометрическим датчиком силы. Сигналы записывались цифровыми осциллографами. Теоретическое исследование проводилось численно на программах НИИ механики МГУ HIGHTEMP с учетом эффектов переноса в рамках 10 компонентной газофазной модели горения стехиометрической смеси ацетилена с воздухом. Комплексное теоретико-экспериментальное исследование ряда кольцевых и линейного двух щелевого сопла позволило выявить параметры внутренней полузамкнутой полости сопла - сферического (цилиндрического) сегмента, определяющие спектры пульсаций силы тяги и давления газа в центре тяговой стенки соплового дефлектора (диаметр основания сферического (цилиндрического) сегмента, высота и радиус, критического сечения сопла). Параметрические расчеты позволили определить диапазон максимальных изменений давления газа в центре тяговой стенки и его зависимость от давления торможения и давления в пространстве истечения. Согласно расчетам, диапазон максимальных изменений силы тяги в пульсациях для кольцевых сопел не превышал 10 % от величины ее среднего значения и 18 % для линейных двух щелевых сопел, а средние значения силы тяги для линейного двух щелевого сопла (2.6 кН) и эквивалентного кольцевого сопла (2.55 кН) совпадают с точностью 2 %. 5. Выполнен расчет времени индукции для смесей метана со стандартным воздухом с добавками ацетилена в качестве промоутера. Использовалась система кинетических уравнений для многокомпонентного реагирующего газа, предложенная и применявшаяся ранее в НИИ механики МГУ, дополненная частью для вычисления времени индукции. Установлено, что добавка ацетилена к метану заметно ускоряет воспламенение метана в области высокотемпературного окисления, определена температура, ограничивающая область быстрого окисления метана.
3 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. РФФИ 18-01-00883 Горение и детонация в каналах и ограниченных объемах. Этап 3.
Результаты этапа: Проведена модернизация оригинального программного комплекса, основанного на уравнениях Эйлера и предназначенного для выполнения расчетов многомерных нестационарных реагирующих течений пропановоздушной смеси. В численных экспериментах в двумерной и трехмерной постановках задач впервые обнаружен и исследован не известный ранее галопирующий режим распространения детонации в сверхзвуковом слоистом неоднородном потоке горючей смеси. Исследована проблема инициирования детонации в сверхзвуковом потоке в изогнутом канале постоянной ширины в плоском двумерном и в трехмерном случаях. Исследована зависимость течения от геометрии канала и скорости поступающей в него смеси. Получены условия, при которых формируется течение с волной детонации. Сформулированы и исследованы две задачи о трехмерном нестационарном течении с детонационными волнами в пропановоздушной смеси, вращающимися в кольцевом зазоре осесимметричного устройства между двумя параллельными плоскостями, перпендикулярными его оси симметрии при подаче смеси в направлении оси и в цилиндрическом зазоре между коаксиальными цилиндрами при подаче смеси вдоль оси цилиндров. Реализована модель подачи смеси и модель инициирования одной и нескольких волн детонации заданного направления вращения. Получены и исследованы нестационарные ударно-волновые структуры, возникающие в процессе формирования течения с одной и несколькими вращающимися волнами детонации. Исследована зависимость параметров вращающейся детонации от параметров торможения. Проведено численное исследование формирования спиновой детонации стехиометрической пропановоздушной смеси в цилиндрическом канале эллиптического поперечного сечения. Рассматривались каналы с большой осью, равной диаметру круглого канала, в котором спонтанно формируется спин. Установлено, что существует такая критическая величина малой оси эллипса, что при меньших величинах спин не реализуется. Численно исследована устойчивость спиновой детонации: а) в круглом канале с коническим расширением или сужением, б) при плавном переходе из канала круглого сечения в канал эллиптического сечения, в) в канале с изгибом в форме тора. В случае а) получено, что начиная с маленькой длины переходного конуса, рассмотренной ранее, спин сохраняется, если диаметр основания конуса на выходе не превосходит максимального и минимального значения, полученных при минимальной длине конуса. В случае б) спин исчезает независимо от длины конуса и размеров осей эллипса в поперечном сечении. В случае в) спин не сохранялся для всех рассмотренных радиусов тора при углах изгиба, больших определенного малого критического значения. В рамках современного детального кинетического механизма химического взаимодействия численно исследовано инициирование, распространение, срыв и восстановление детонации стехиометрической водородно-воздушной смеси в плоских каналах с препятствиями. Изучено инициирование и распространение волны детонации в смеси, поступающей со сверхзвуковой скоростью в плоский симметричный канал с сужением (пережатием). Установлено, что в канале, геометрические параметры которого обеспечивают стабилизацию инициируемой энергоподводом детонационной волны, возможно инициирование детонации с помощью поперечного препятствия (барьера) и формирование в канале течения со стабилизированной волной. Исследовано влияние положения препятствия, его высоты и времени существования на инициирование и стабилизацию детонации в потоке. Изучена структура стабилизированной волны. Рассмотрено распространение детонации в покоящейся смеси в плоском канале с поперечными препятствиями с целью изучения условий гашения детонационного горения и выявления механизмов сохранения детонации. Исследовано взаимодействие ячеистой детонационной волны с одиночным барьером и с областью барьеров, расположенной на одной из стенок канала. Подобная область может рассматриваться как простая модель вставки с пористым покрытием на внутренней поверхности канала (например, покрытой стальной ватой). Установлено, что результат взаимодействия волны с множественными препятствиями зависит от протяженности области, высоты барьеров и расстояния между соседними барьерами. Так, обнаружено, что подбором протяженности области препятствий и частоты расстановки барьеров (без изменения их высоты) можно полностью погасить детонацию. Кроме того, получено, что существует критическая высота барьеров (или одиночного барьера), при превышении которой детонация гаснет. Исследование влияния на детонацию предварительного частичного разложения молекулярного водорода и кислорода на атомарные газы показало, что диссоциация части горючего и окислителя является механизмом, препятствующим гашению детонации в каналах с барьерами. С использованием оригинальной технологии НИИ механики МГУ HIGHTEMP для расчета пространственных реагирующих течений с учетом эффектов переноса и турбулентности проведены расчеты в двумерной постановке по проблеме инициирования и стабилизации сверхзвукового горения керосино-воздушной смеси водородным пламенем в модельной прямоточной камере сгорания. Установлены характерные особенности структуры течения, в том числе с образованием волны детонации, в зависимости от параметров сверхзвукового потока воздуха, интенсивности инжекции водорода, его температуры, места расположения и размера области инжекции. Выполнена адаптация технологии НИИ механики МГУ HIGHTEMP для расчета камер сгорания с вращающейся детонацией. В двумерной постановке исследованы процессы инициирования и формирования вращающейся детонации пропановоздушной смеси в узком зазоре между двумя коаксиальными цилиндрами, в который смесь поступает из резервуара с заданными параметрами торможения через торцевое кольцо в направлении оси цилиндров. Разработана двумерная модель взрывного инициирования детонации с заданным направлением вращения. Для фиксированной геометрии объекта проведены сравнительные расчеты для определения влияния вязкости, теплопроводности и турбулентности на инициирование и формирование вращающейся детонации, а также на ее устойчивость при изменении параметров торможения. Анализ динамики течения позволил сделать заключение, что при рассмотренных определяющих параметрах нет существенной разницы в развитии процесса с учетом и без учета эффектов переноса. Выполнены комплексные теоретико-экспериментальные исследования тяговых характеристик ряда кольцевых и линейных двух щелевых сопел с внутренним дефлектором, функционирующих в пульсирующем режиме течения. Расчеты проводились на основе уравнений Навье-Стокса в условиях ламинарного режима течения газа. Эксперименты проводились в импульсной аэродинамической установке НИИ механики МГУ. В качестве рабочего газа использовались продукты сгорания ацетилено-воздушной смеси. Установлены параметры внутреннего дефлектора сопла в виде сферического (цилиндрического) сегмента, определяющие спектры пульсаций силы тяги и давления газа в центре тяговой стенки. Определены диапазоны максимальных изменений давления газа в центре тяговой стенки и изменений силы тяги в пульсациях. Установлено также, что средние значения силы тяги для линейного двух щелевого сопла и эквивалентного по расходу газа и форме дефлектора кольцевого сопла практически совпадают. Проведены расчеты турбулентного течения в кольцевом сопле с внутренним дефлектором с использованием трех параметрической Lag Model турбулентного переноса. В качестве рабочего газа рассмотрен воздух. В расчетах варьировались условия на выходе из кольцевого сопла и на тяговой стенке. В отличие от ранее проведенного аналогичного исследования для ламинарной модели течения во всех вариантах настоящих расчетов стартовые возмущения затухали, и в полости внутреннего дефлектора соплового устройства в течение 2 мс устанавливался «стационарный» турбулентный режим с высокими значениями параметров турбулентного переноса. В связи с эпидемией COVID-2019 эксперименты с кольцевыми соплами на время карантина были приостановлены. На удаленном режиме были спроектированы конструкции моделей кольцевых сопел с внутренним дефлектором и меньшим условным диаметром выхлопа (ДУ=20 и 38.8 мм) в сравнении с базовой по геометрическим размерам моделью (ДУ=66.4 мм). Конструкции новых моделей позволяют измерять тягу сопла, давление в центре тяговой стенки и на входе сопла высокочастотными датчиками. Для оценки степени совершенства представленных конструкций с точки зрения измерений силы тяги впервые введен универсальный безразмерный параметр – показатель качества конструкции (ПКК) – отношение веса подвижных деталей в конструкции системы измерений силы тяги к собственному весу применяемого для измерений тензометрического датчика силы. Предложенные конструкции сопел обеспечат возможность измерения тяги в импульсно-периодическом режиме работы сопел на более высоких частотах, чем в базовой модели кольцевого сопла. Проведено экспериментальное исследование нижних концентрационных пределов распространения (НКПР) пламени в метановоздушных смесях с добавками водорода, ацетилена и бутана. Показано, что смесь метана с ацетиленом моделирует по равновесным продуктам сгорания авиационный керосин, а исследованные углеводородные добавки к метану, моделирующему перспективный для авиации в качестве экологичного топлива криогенный сжиженный природный газ - СПГ, позволяют заметно интенсифицировать процесс горения. Использование (либо присутствие в составе природного газа) углеводородных добавок позволяет организовать эффективное сжигание криогенного СПГ в камерах сгорания авиационных и ракетных двигателях в границах горючих составов, определяемых правилом А. Ле Шателье. В широком диапазоне начальных параметров горючей смеси метан-кислород-азот рассчитаны времена задержки воспламенения, удовлетворительно согласующиеся с имеющимися экспериментальными данными, и определены интервалы температур режима быстрого окисления метана с механизмом цепного разветвления активных радикалов для различных составов горючих смесей. Рассмотрены три признака воспламенения метанокислородной смеси, разбавленной азотом: по уменьшению концентрации метана в смеси, по максимуму концентрации радикала ОН и по максимуму концентрации радикала СН3. Установлено, что вычисленные по ним времена индукции воспламенения близки по величине. Для трех составов горючей смеси по трем признакам воспламенения вычислены времена индукции в метанокислородных смесях, разбавленных азотом, в диапазоне температур (700-2500) К. Проведено расчетно-экспериментальное исследование воспламенения смесей метан-ацетилен-воздух вблизи НКПР пламени. Показано, что в ряде метано-ацетиленовых смесей в воздухе добавка ацетилена заметно ускоряет распад метана. Разработана методика определения в численных экспериментах минимальных температур воспламенения смесей метан-ацетилен-воздух. Для полученных в эксперименте значений концентраций смесей метана с ацетиленом в воздухе (на границе области НКПР) впервые получены расчетные значения минимальной температуры воспламенения указанных составов – минимальной температуры высокотемпературного (быстрого) окисления метана. Расчетные значения минимальной температуры воспламенения и разработанная расчетная методика представляют интерес с точки зрения определения и обеспечения условий взрывобезопасности метано-ацетиленовых смесей в воздухе при соприкосновении – взаимодействии с нагретыми телами – источниками тепла.

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".