Численное моделирование двухфазных течений с ударными и детонационными волнами тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

РГ6 Ой

г. г-.«.)

госкомитет российской федерации по высшему образованию

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЖЦИИ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ имени Серго Орджоникидзе

На правах рукописи УДК 633.6

ГИДАСПОВ Владимир К^ьевич

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДВУХФАЗНЫ! ТЕЧЕНИЙ С УДАРНЫМИ И ДЕТОНАЦИОННЫМИ ВОЛНАМИ

Специальность 01.02.05 "Механика жидкости, газа и плазмы"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва Издательство МАИ 1993

Работа выполнена в Московском ордена Ленина и ордена Октябрьской революции авиационном институте имени Серго Орджоникидзе.

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор У.Г.Пирумов

Официальные оппоненты : доктор физико-математических наук, профессор Л.Е.Стернин кандидат физико-математических наук С.Н.Минин

Ведущая организация -факультет Вычислительной математики и Кибернетики Московского государственного университета.

Защита состоится " ^"__1990 г. в _часов на

заседании специализированного Совета К053.18.02 в Московском ордена Ленина и ордена Октябрьской революции авиационном институте имени Серго Орджоникидзе.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАИ.

Адрес института : 125871 Москва, ГСП, Волоколамское шоссе, 4.

Автореферат разослан " " Т9ЙВ г.

Ученый секретарь Совета кандидат физико-математических наук

Л.Ф.Лобанова

Актуальность работы. В настоящее время значительно возрос интерес к моделированию двухфазных реагирующих течений. Это связано во-первых с необходимостью на этапе проектирования и опытной эксплуатации различных технологических установок получать как можно более полную информацию о характеристиках двухфазного потока (давлении газа, скоростях и температуре газа и частиц, агрегатном состоянии материала частиц, зонах распространения и повышенной объемной плотности частиц и т.д.), во-вторых - с необходимостью прогноза величины выбросов токсичных веществ и разработки способов их подавления, в третьих - с обеспечением инициирования (установки детонационно-газового напыления) или предотвращения (атомные реакторы) детонации при проектировании элементов технологических установок.

Несмотря на то, что имеется большое число работ, посвященных численному моделированию двухфазных реагирующих течений, вышеперечисленные задачи исследованы недостаточно полно. Наличие в поле течения областей занятых различными газами, образование граничных траекторий частиц, ударных волн и контактных разрывов, а также необходимость использования при математическом моделировании химически реагирующих течений детальных многостадийных кинетических механизмов требуют развития новых Ччисленных методов совместного решения уравнений газовой динамики двухфазных сред и уравнений химической кинетики с явным выделением поверхностей сильных разрывов.

Цель работы. Разработка численного метода расчета квазиодномерных нестационарных двухфазных реагирующих течений с явным выделением произвольного числа взаимодействующих разрывов, а также численное моделирование указанных течений в различных технологических установках.

Научная новизна. Разработан сеточно-характеристический метод расчета квазиодномерных нестационарных неравновесных двухфазных реагирующих течений с явным выделением произвольного числа взаимодействующих разрывов ( ударных волн; контактных разрывов разделяющих газы различного состава, граничных траекторий частиц и т.д. ), причем с точным разрешением всех возможных видов их взаимодействий.

Исследован процесс инициирования детонации в горючей смеси ударной волной образованной в результате распада разрыва на границе инертного газа ( н* о под высоким давлением и горшей смеси ( водород - кислород, водород - воздух, метан - воздух ) при нормальных условиях. При моделировании течения горючей смеси использовались многостадийные кинетические механизмы.

Получены временные развертки процесса включающие в себя общие для всех горючих смесей этапы, а именно : на начальном этапе близкое к автомодельному течение, затем воспламенение горючей смеси у контактного разрыва, образование волны воспламенения и распространение ее по горючей смеси, взаимодействие волны воспламенения с головной ударной волной.

Получены распределения скорости, давления, температуры и концентраций химических компонент, зависимости от начальных параметров времен индукции и образования детонационной волны, длины преддетонационного участка.

На примере модельной задачи "о распаде произвольного разрыва" в двухфазной среде в рамках многолистного гидродинамического приближения для случая монодисперсного конденсата показана возможность пересечения траекторий частиц и ,в частности, образования сборки (т.е. области пространства, в каадой точке которой скорость и температура конденсата имеют три значения).

Проведено исследование двухфазного течения в установке детонационно-газового напыления, получена временная развертка двух последовательных "выстрелов" установки. Расчетным путем обнаружены дисбаланс между длительностями отдельных стадий напыления, а также втекание атмосферного газа в ствол установки в промежутках меаду "выстрелами".

Проведено численное моделирование течения спеченых двухкомпонентных порошков в установке детонационно-газового напыления с учетом плавления.

Практическая ценность. Разработанный численный метод и результаты расчетов могут быть использованы при теоретических и экспериментальных исследованиях двухфазных течений в соплах и ударных трубах цри наличии неравновесных химических превращений, а также при проектировании технологических установок.

Достоверность результатов достигалась путем сравнения с имеющимися аналитическими решениями, а также с известными расчетными и экспериментальными данными.

Апробашя работы. Основные результаты работы докладывались на Всесоюзных и мездународных конференциях "Современные вопросы механики и технологии машиностроения" (Москва, 19Э6), 'Теоретические основы и конструирование численных алгоритмов решения задач математической физики" (Кемерово,1988), на втором Советско-японском симпозиуме по вычислительной газовой динамике (Цукуба,1990), "Интеграция систем целевой подготовки специалистов и автоматизированных технических систем различного назначения" (Алушта,1990), "Программное обеспечение математического моделирования" (Адлер, 1991), "Газодинамика и физика ударных волн" (Минск, 1992) и семинарах по вычислительной газовой динамике им. Г.И. Петрова (1991, ВМК МГУ, рук. В.М.Пасконов, У.Г.Пирумов, Г.С.Росляков), по физико-химической газовой динамике (1992, НИИмех МГУ, рук. С.А.Лосев).

Основные результаты работы опубликованы в с 1-91-

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, четырех приложений, содержит 192 стр., 83 рис., 13 таблиц и список литературы из 126 названий.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации и дано краткое изложение содержания работы.

В первой главе приводится описание сеточно-характеристического метода для расчета квазиодномерного нестационарного двухфазного реагирующего течения с явным выделением произвольного числа взаимодействующих разрывов.

Эффекты вязкости и теплопроводности считаются существенными только при тепловом и механическом взаимодействии газа с частицами и со стенками канала. Предполагается, что объем занимаемый частицами пренебрежимо мал по сравнению с объемом газа, а также отсутствует дробление частиц потоком. Рассматриваются только такие частицы размеры которых велики по сравнению со свободным пробегом молекул газа и малы по сравнению с характерным размером задачи. С

- б -

учетом вышесказанного двухфазное течение в областях непрерывности описывается системой квазилинейных дифференциальных уравнений в частных' производных :

§5- Р F * р u F = М ОЗ

ЖГ р U F + С Р ч2 . р 3 F = I ♦ I ♦ р С23

2 р 2

_£_ р се + -У-D F + -з^- ри Се + - + -^-3 F = Е + Е СЗЗ

<7t 2 ох р 2 v

а а

-ЗГ-Р F ^ + ЖГ " и F - V i=1.....V С4Э

n F + n и F » О C53

01 e ffX s a

%r— n m F ♦ n и m F = - M C63

ot e s OX ese

n m и F + -Л— n m u2 F = - I С 73

fft 6 S в OX S 8 •

z z

- и - и

i— n m FC e + —^ 3 + n и m F С e + 5 = - E С 83

tft s g 6 2 ax ese в 2

N N

r r -1

e = £ x e CP.T3. p = С . £ vv.CP.T33 . e = e CT3 . C93

l—l v l ' l = 1 l V 'e s •

<K5 ЛЗ dG,

e. = S - T С -=Дз - P С зД 3 С -¡^ 3 С103

i i <JT р ЛР т ' i ÓP т

М = -п inF. I=-nFCmu + mü 3 СИЗ

• в в а в • i

2

U

Е = - г» F С ш Се + —А + m Сё + и ú 3 С123

s ase в а я

^десь р, и, р, е - соответственно плотность, скорость, давление, внутренняя энергия газа, rit- мольно-массовая концентрация i-ой компоненты, <sim- скорость образования i-ой компоненты за счет химических реакций и испарения,fcx3 - площадь канала ствола или f=x в случае расчета пространственных течений с цилиндрической и f=x*x - сферической симметриями, iv, eu- слагаемые учитывающие тепловое и механическое взаимодействие газа со стенками канала.

me, еа- скорость, масса и внутренняя энергия частиц, соответственно, пв- число частиц в единице объема, ,

скорости изменения массы, скорости, внутренней энергии частицы вдоль ее траектории.

На ударных волнах и контактных разрывах выполняются соотношения типа Ренкина-Гюг онио, также используются условия непрерывности параметров частиц и концентраций химических компонент на разрывах.

Разработанный алгоритм расчета квазиодномерных

нестационарных двухфазных течений сеточно - характеристическим методом с явным выделением произвольного числа взаимодействующих разрывов основан на нескольких ключевых положениях, а именно :

- расчет ведется маршевым сеточно-характеристическим методом по слоям ■ const. Параметры потока в точке определяются итерационно до достижения некоторой, наперед заданной точности. Если за максимально допустимое число итераций сходимость не достигается, то шаг по времени уменьшается;

рассматриваемая область течения- делится на подобласти непрерывности границами которых являются линии разрывов, а также левая и правая границы расчетной области:

- границы областей непрерывности рассчитываются по специальным алгоритмам, учитывающим их конкретную физическую природу:

- при расчете внутренней точки, принадлежащей подобласти непрерывности, используются точки находящиеся только в этой подобласти:

- в качестве разностной сетки для расчета поля газа используются фиксированные узлы (при расчете течений химически реагирующих сред подвижные узлы совпадающие с траекториями газа ) и точки на разрывах. При этом каждому разрыву соответствует две точки с одинаковыми координатами и различными параметрами течения. Расчетная сетка в поле частиц совпадает с их траекториями. Кроме того, параметры частиц определяются на разрывах, находящихся внутри области распространения частиц:

- в случае обнаружения пересечения границ подобластей непрерывности мезду собой или с траекториями частиц или газа, расчет слоя осуществляется с переменным шагом по времени, который на каздой итерации выбирается так, чтобы точка пересечения лежала на рассчитываемом слое. После расчета слоя происходит обработка пересечения в зависимости от его типа по специальному алгоритму:

- в алгоритме расчета слоя используется расщепление по физическим процессам (определение параметров "чистого"' газа (и. р. тэ . расчет концентраций химических компонент, определение параметров диспергированной фазы), для учета взаимного влияния процессов делается несколько итераций.

Разработанный сеточно-харантеристический алгоритм, обеспечивает второй порядок точности как по пространственной координате, так и по времени.

Далее в первой главе приводятся структура разработанного комплекса программ и результаты его тестирования для случая "замороженного" течения газа. В качестве тестов используются задачи с известными аналитическими решениями ("задача о взрыве без противодавления" и "задача о распаде произвольного разрыва" с начальными параметрами, предложенными Г.Сод ( 1981 )). Результаты численного моделирования удовлетворительно согласуются с аналитическим решением как по параметрам течения, так и по положению линий разрыва. Также было рассчитано газодинамическое течение, возникающее после одновременного распада двух одинаковых разрывов в закрытом с обоих концов канале. Временная развертка течения (рис. I) содержит большое число ударных волн и контактных разрывов, которые взаимодействуют друг с другом и со стенками канала. Из рисунка видно, что используемые алгоритмы на протежении всего расчета обеспечивают сохранение симметричной картины течения (т.е. скорость распространения возмущений при численном решении одинакова по всем направлениям).

Во второй главе исследуются высокоскоростные течения взрывчатых газофазных смесей в каналах.

Для описания термодинамических свойств реагирующей газовой смеси применяется модель многокомпонентного совершенного газа в приближении равновесного распределения по энергетическим уровням внутренних степеней свобода молекул и атомов. Химические превращения взрывчатой газовой смеси моделируются с помощью многостадийных кинетических механизмов, состоящих из элементарных газофазных реакций до третьего порядка включительно. Все элементарные стадии полагаются обратимыми. Для аппроксимации температурной зависимости констант скоростей прямых реакций используется формула Аррениуса. Для решения уравнений химической кинетики применяется метод квазипростой итерации с контролем аппроксимации, предложенный В.А.Волковым (1983) .обеспечивающий точное выполнение законов сохранения атомарного состава и корректное вычисление правых частей уравнений химической кинетики

вблизи равновесия.

Рассматривается нестационарное течение, возникающее в ударной трубе после разрыва диафрагмы, отделяющей взрывчатую газовую смесь при нормальном давлении от инертного газа при высоком давлении .

В качестве горючего используется стехиометрическая смесь водорода с кислородом при стандартных условиях ( т-зоо к, р«о.ю13 МПа), инертного газа - гелий ( т=зоо к, Р=4.о.зг МПа). Механизм окисления водорода приведен в таблице I. Достоверность этого механизма проверяется с помощью решения задачи о самовоспламенении в бомбе постоянного объема (рис.3) и сравнения рассчитанного времени воспламенения с экспериментальными данными ( Р.И.Солоухин, 1963 г.). Результаты численного решения основной задачи приведены на рис. 2,4. Нагрев взрывчатой смеси в ударной волне инициирует сравнительно вялое протекание химических реакций. Однако спустя некоторое время их резкое самоускорение приводит к столь же резкому возрастанию температуры взрывчатой смеси, т.е. к ее воспламенению. Соответствующее типичное поведение температуры показано на рис. 4. Первыми воспламеняются порции взрывчатой смеси, расположенные вблизи контактного разрыва. Образуются волна сжатия и фронт воспламенения, которые постепенно сливаются, образуя при этом единый фронт ударного сжатия-воспламенения, т.е. детонационную волну. Детонационная волна распространяется со сверхзвуковой скоростью по взрывчатой смеси, нагретой до этого прошедшей ударной волной, и через некоторое время догоняет последнюю (рис. 2). После этого образуется пересжатая детонационная волна, распространяющаяся уже по холодной взрывчатой смеси (рис. 4). Вышеописанная картина течения качественно совпадает с наблвдаемой в экспериментах (А.Ферри, 1961 г.)-

Кроме этого исследуется стехиометрическая смесь водорода с воздухом, используется кинетический механизм, состоящий из 32 обратимых стадий и включающий 15 компонент . Параметры инертного газа перед распадом следующие - р = 4.0.зз МПа, т = зоо к. Для изучения влияния на характер течения начального состава горючей смеси были проведены расчеты при коэффициентах избытка окислителя <х = г и « = о.5 . Расчеты при недостатке горючего показывают более быстрое воспламенение по сравнению с соответствующим вариантом при

25

И 1'»1с>

- л.

\

\ о

0

4 и» * 1„] . 6 • 8 10 10 /т ГЮ

Рис. 2. 1-ударная волна, Рис. 3.1-Р-101325 Па,

2-фронт воспламенения,3, 2-Р=2010000 Па,

5-контактные разрывы, 4- о-эксперимент.

0. 10 20.

I 1МКС1

Рис. 4. 1-давление, 2-скорость, 3-температура справа от конт. разрыва, 4 - скорость уд. волны.

Табл. 1. Кинетический механизм.

0

1

- и -

о = I, а также более раннее взаимодействие волны воспламенения с ударной волной. Тем не менее средняя скорость волны горения растет с уменьшением а. Это связано с тем, что воздух в горючей смеси является окислителем, а избыточная его часть выступает в качестве балласта. Последнее подтверждается еще и тем, что хотя давление и температура после распада разрыва для вариантов а = 1, р = ео. 8 МПа и а « г, р = 4о. 5 мПа близки, время воспламенения отличается более чем в два раза.

Было изучено влияние на процесс инициирования детонации в стехиометрической метано-воздушной смеси ( кинетический механизм состоит из 59 обратимых стадий и включает 19 компонент ) начального давления в камере высокого давления и начальной температуры в камере низкого давления. Максимальное влияние на процесс оказывает температура газа в камере низкого давления. Так, увеличение температуры с 300 К до 400 К приводит к уменьшению времени воспламенения и детонации почти в 20 раз. В тоже время скорость детонации и пиковые параметры слабо зависят от варьируемых величин (средняя скорость детонационной волны находится в пределах 2500-2770 м/с, пиковое давление - 15 - 19 МПа, температура 3200 - 4000 К).

В третьей главе диссертации рассматривается ряд задач, иллюстрирующих применимость разработанных алгоритмов к расчету двухфазных течений в реальных технологических установках.

Дисперсная фаза трактуется как реальный ансамбль частиц, состояние которых описывается одинаковым набором фазовых переменных (координаты и скорости центра масс частиц, а также их масса и температура). При этом эволшия фазовых переменных частиц описывается системой обыкновенных дифференциальных уравнений, у которых вид правой части зависит от принятой модели сопротивления и тепломассообмена частиц. Эволщия всего ансамбля описывается уравнением переноса в пространстве фазовых переменных. Преимуществом используемой модели является возможность учета пересечения траекторий частиц одного начального размера.

Было рассмотрено течение двухфазной смеси азота и частиц хрома в закрытом с обоих концов канале постоянного сечения. Канал состоит из трех секций, отделенных друг от друга. Первая -

заполнена азотом под давлением 50 атм, вторая - двухфазной смесью азота и хрома при нормальном давлении, а третья - азотом при давлении 10 атм, температура газа и частиц во всех секциях одинаковая и равна 300 К, скорость - нулевая. В начальный момент времени перегородки мгновенно удаляются и по двухфазной смеси навстречу друг другу распространяются ударные волны (рис. 5). В средней камере образуются два потока частиц, направленных навстречу друг другу. После встречи ударных волн в средней камере реализуется течение, с большим числом ударных волн и контактных разрывов . Необходимо отметить, что хотя все образующиеся линии разрыва явно выделяются в расчете, однако, чтобы не загромоздать рис. 5 не приводятся. Потоки частиц смыкаются и в середине второй области образуется складка, т.е. траектории частиц пересекаются. На рис. 6 представлена эволщия во времени лагранжевой координаты к^схэ (число частиц находящихся меаду текущим сечением х и правой границей расчетной области). Однозначная в начальный момент становится трехзначной вскоре после взаимодействия ударных волн (кривые 3-5 рис. 6).

Далее рассматривается двухфазное течение, возникающее в установке детонационно-газового напыления. Для описания процессов, протекающих в установке, используется модель, приводимая в главе I, с некоторыми упрощающими предположениями. Состояние продуктов детонации описывается приближенной моделью (Ю.А.Николаев. ,1978). Для описания трения и теплообмена газов со стенками канала используются полуэмпирические критериальных зависимости (И.П.Гинзбург,1981). Процесс плавления (кристаллизации) частиц рассчитывается с помощью равновесной модели, обобщенной на случай частиц, состоящих из нескольких, последовательно плавящихся материалов.

Для моделирования полного цикла установки особое значение имеет постановка корректных граничных условий . При моделировании работы систем продувки и заполнения канала ствола взрывчатой смесью предполагается, что при открытии клапана, разделяющего подводящие магистрали и полость ствола, в сечении происходит распад разрыва в двух различных соприкасающихся газах. В момент времени, предшествующий распаду, давление и температура

подаваемого газа полагаются равными его давлению и температуре в подводящих магистралях или в ресивере. Во все последующие моменты времени предполагается, что в подводящих магистралях сохраняются полная энтальпия, энтропия и элементарный состав газов. В момент инициирования детонации в начальном сечении разрешаются соотношения типа Ренкина-Гюгонио с замыкающим условием Чепмена-Жуге и условиями химического равновесия продуктов детонации, а для определения параметров на левой границе решается автомодельная задача о плоской детонационной волне, распространяющейся по газу с постоянной скоростью Чепмена-Жуге. На левой границе на стадии распространения детонационной волны по каналу ствола используется условие непротекания . При постановке граничных условий на открытом конце установки учтена возможность реализации сверхзвукового, звукового и дозвукового режимов истечения, а также режим обратного втекания газа в установку. Надо отметить, что в момент начала режима обратного втекания происходит заход контактного разрыва в установку, разделяющего текущий газ и атмосферный. При сверхзвуковом режиме истечения сопло может работать в режиме перерасширения и внутрь ствола из атмосферы может заходить скачок уплотнения. В процессе численного моделирования все вновь образованные линии разрыва явно выделяются.

Приведены результаты расчетов двух последовательных циклов установки Днепр-2, а также параметрическое исследование характеристик частиц = 10 - 100 мкм) *с , м и их различных сплавов на вылете из установки на стадии истечения продуктов детонации. В качестве горшего использовалась смесь ацетилена с кислородом с молярной концентрацией кислорода 4/ 7 и в/ 17, На основании проведенных расчетов дается ряд рекомендаций по усовершенствованию рабочего процесса установки Днепр-2.

Далее в третьей главе приводятся результаты расчета течения, возникающего после распада разрыва на границе,' разделяющей камеры высокого и низкого давления. Камера высокого давления заполнена воздухом, а камера низкого давления - горючей смесью, состоящей из капель бензина, распыленных в воздухе. Для моделирования химических реакций, протекающих в газе, используется кинетический

ю

\\

\

\\

0.2 Х.Н 0.1

0.14

0.18 X, 1

Рис. 5. Х-1 диаграмма течения.

С--УВ,----- ГСР,-----

ГТЧ,--ТЧ).

Рис. б. Зависимость Ы5 от X (1-0.1046 мс, 2-0.2194 мс.З О. 2414 мс, 4-0. 2552,5-0. 2747 >

20

10

1 , МКС 1 , //

3 / //

У / /

2 ^ / I

/

Р, МПа « и*- о'м/с IV

1

Л и / 1

4 X, см О

10

20 1 .икс О

20 (

Рис. 7. 1-УВ,2-фронт Рис. а 1-давление,2- Рис. 9. Мольные доли

воспламенения, 3- КР. скорость,З-температу- химических компонент

ра справа от КР, 4 - справа от КР. скорость УВ.

механизм, включающий 23 компоненты и состоящий из 70 обратимых стадий, для описания процесса испарения бензина используется диффузионная модель.

Камера высокого давления заполняется воздухом (Р = 400 ат, Т = 300 К). В камере низкого давления содержится смесь состоящая из воздуха (Р-1 ат, Т - 300 К) и капель бензина с начальным диаметром а =ю мкм и температурой Т- 300 К, равномерно распределенных по длине трубы. Процесс горения начинается у контактного разрыва и сопровождается ростом давления и температуры справа от него (рис.8). При мкс рост температуры прекращается, это

соответствует моменту практически полного выгорания кислорода (рис. 9). Таким образом, в последующие моменты времени, окислитель на контактном разрыве отсутствует а горючее из-за испарения продолжает поступать , поэтому температура справа от контактного разрыва уменьшается. В момент времени з мкс фронт горения сходит с контактного разрыва и распространяется вслед за ударной волной т.е. образуется детонационная волна. Необходимо отметить, что фронт волны детонации не является таким ярко выраженным, как в случае газофазной детонации. На рис. 10-12 представлены распределения параметров, соответствующие полному испарению конденсата в окрестности контактного разрыва (рис. II), концентрации химических компонент и температура справа от контактного разрыва замораживаются (рисЛ2). В момент времени <-= 1з.з мкс фронт горения достиг головной ударной волны и несколько ускорил ее . Ускорение ударной волны привело к выполаживанию профиля давления слева от нее рис. 13. В более поздние моменты фронт горения несколько отдаляется от ударной волны рис. 7, 13. В поле течения между контактным разрывом и ударной волной к этому времени уже имеется хорошо оформившаяся зона чистого газа, примыкающая к контактному разрыву (рис. 14). В результате численного моделирования определен ряд характерных параметров процесса инициирования детонации в бензино-воздушннх двухфазных смесях заданного состава, сильной ударной волной. А именно -время воспламенения, расстояние пройденное частицей газа перед воспламенением , средняя скорость волны воспламенения, расстояние и время до взаимодействия волны воспламенения с

V « -10",1« /' 2 Р, НПо

X1 [С

1.5

1.0

и.5

X, мм

X, №

Рис. 10. Распределение Рис. 11. Распределение Рис. 12. Распределение

параметров газа 1 « параметров частиц t = мольных долей хими

12.23 же (1-скорость, 12.23 мкс (1-скорость, ческих компонент

2-давление,3-темпера- 2-температура,3-масса 12. 23 ькс.

тура). одиночной частицы).

:; Р, МПа; Т ГГ" Л

и \

1-Е

1.0

0.5

Т5ЧЙ\К; М,.«'0,« ---I

оЦ

20

15

Ю

44

48 X, мм

44

48 X, мм

счо* 0» 0,

СгН2

^ ИгО

С Ну

44

48 X, мы

Рис. 13. Распределение Рис. 14. Распределение

параметров газа t = параметров частиц t =

22.15 шс (1-скорость, 22.15 икс (1-скорость,

2-давление,3-темпера- 2-температура, 3-масса

тура). одиночной частицы).

Рис. 15. Распределение мольных долей химических компонент Ь= 22.15 мсс.

о

головной ударной волной, расстояние от головной ударной волны на котором частица бензина полностью испаряется.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной диссертационной работе получены следующие основные результаты :

1. Разработан вариант сеточно-характеристического метода, предназначенный для расчета квазиодномерных нестационарных течений двухфазной смеси, состоящей из многокомпонентного реагирующего газа и частиц, которые могут" испаряться,плавиться и кристаллизоваться.

2. Для случая реагирующих двухфазных смесей реализованы алгоритмы явного расчета линий разрывов параметров двухфазного потока (ударных волн, контактных разрывов, звуковых характеристик, граничных траекторий частиц), а также всех возможных их взаимодействий. Обеспечивается автоматическое выделение образуемых разрывов и удаление вырождающихся.

3. Разработан и реализован алгоритм нахождения размазанной плотности конденсата для случая бессталкновительного пересечения траекторий частиц одной начальной фракции.

4. Проведено численное моделирование процесса инициирования детонации в канале падающей ударной волной. Получены временные развертки указанного процесса, включающие в себя все основные стадии процесса ( воспламенение горючей смеси у контактного разрыва, образование волны горения, ее распространение по горючей смеси от контактного разрыва вслед за ударной волной, взаимодействие волны горения с головной ударной волной, образование пересжатой детонационной волны ). Определены значения времен индукции, детонации, предцетонадаонных расстояний в ударной трубе для горючих смесей : водород- кислород, водород-воздух, метан- воздух.

5. Построена замкнутая математическая- модель полного цикла установки детонационно-газового напыления "Днепр-2" и произведен расчет двух циклов установки. Численно обнаружены режимы попеременного втекания- вытекания газа из установки. На основе проведенных расчетов был выдан ряд рекомендаций по оптимизации продолжительности различных стадий рабочего цикла установки.

Также было выполнено параметрическое исследование влияния диаметра частиц, состава горючей смеси и типа напыляемого порошка на параметры частиц при вылете из уогановки. На основании проведенных расчетов сделан вывод о предпочтительном использовании спеченных порошков на основе сплава никеля и карбида вольфрама с диаметром, напыляемых частиц близким к 50 мкм.

6. Сформулированы и реализованы (в виде алгоритмов и программ: корректные краевые условия на границе канал-атмосфера, что позволило рассмотреть режимы сверхзвукового и дозвукового истечения, затекания газа из атмосферы в канал, а также зарождение скачка уплотнения в выходном сечении канала. При этом смена режимоь истечения отслеживалась автоматически. Зародившиеся в выходном сечении контактный разрыв или ударная волна явно выделялись.

7. На примере расчета инициирования детонации в горючей смеси, состоящей из капель бензина, распыленных в воздухе, сильной ударной волной, показана применимость разработанной методики численного моделирования к расчету двухфазных течений, для описания химических превращений в которых используются детальные кинетические механизмы.

ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦЩ

1. Валков В.А., Гидаспов В.Ю., Муслаев A.B., Пирумов У.Г. Численная модель процесса детонационного напыления/ Современные вопросы механики и технологии машиностроения : Тез. докл. Всес. конф.-М.: ВИНИТИ,1986, с. 20.

2. Волков В.А., Гидаспов В.Ю., Козелько А.Н. Расчет двумерных стационарных сверхзвуковых течений газа в каналах произвольной формы/ Тезисы докладов 7 Всесоюзного семинара "Теоретические основы и конструирование численных алгоритмов решения задач математической физики", Кемерово, КГУ, 1988.

3. Волков В.А., Гидаспов В.10., Стрельцов B.J0. Комплекс программ для численного исследования воспламенения газовзвесей в замкнутом объеме/ Программное обеспечение математического моделирования, управления и искусственного интеллекта: Тез. ix школы ППП -91. -Иркутск, 1991. -С. I3I-I32.

4. Гидаспов В.Ю. Алгоритм численного расчета послойным методом

характеристик квазиодномерных нестационарных внутренних течений газа с ударными и детонационными волнами/ Вычислительные аспекты решения задач охраны окружающей среды : Тем. сб. науч. тр./ Под ред. У.Г.Пирумова,-М.: МАИ,1988,с. 33-37.

5. Гидаспов В.Ю., Козелько А.Н. Модификация сеточно-характеристического метода для расчета двумерных стационарных течений с произвольной геометрии/ Проблемы теоретической и прикладной математики: Информационные материалы. - Свердловск: УрО АН СССР, 1989, с. 28.

6. Гидаспов В.Ю. Система программного обеспечения для автоматизации инженерных расчетов нестационарных технологических процессов/ Интеграция систем целевой подготовки специалистов и автоматизированных технических систем различного назначения : Тез. докл. меад. конф. -М., МАИ, 1990.

7. Гидаспов В.Ю., Самарцев М.Н., Стрельцов В.Ю. Численное моделирование инициирования детонации в бензино-воздушной двухфазной смеси/ Прогр. обесп. мат. мод., управления и искусственного интеллекта: Тез. IX школы 1ШП -91. -Иркутск, 1991, С. I3I-I32.

8. Гидаспов В.Ю., Иванов И.Э., Крюков И.А. Численное моделирование инициирования детонации в фокусирующем канале// Математическое моделирование.-1992, т. 4, и 12, с. 85 - 88.

9. Volkov V.A. and Gidaspov V.Yu. Numerical simulation of initiating detonation with the help of strong shock waves/ Proceeding of the second Japan-Soviet Union Joint symposium on computational fluid dynamics. - Tsucuba: Univercity of Tsucuba, 19Э1, Vol 3. pp. 80-88.