Математическое моделирование перехода горения в детонацию во взрывчатых газовых смесях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.17 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УЧРЕЖДЕНИЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК ИНСТИТУТ ХИМИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ им. H.H. Семенова РАН

48

53

802

На правах рукописи УДК 534.222.2

ИВАНОВ Владислав Сергеевич

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕРЕХОДА ГОРЕНИЯ В ДЕТОНАЦИЮ ВО ВЗРЫВЧАТЫХ ГАЗОВЫХ СМЕСЯХ

01.04.17 - Химическая физика, горение и взрыв, физика экстремальных состояний вещества

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

о з ОЕЗ 2077

МОСКВА-2011

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте химической физики им. H.H. Семенова РАН

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

Фролов С.М. (ИХФ РАН)

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Марков В.В. (МИ РАН)

доктор физико-математических наук Слуцкий В.Г. (ИХФ РАН)

Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное

предприятие «Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И. Баранова»

Защита состоится «_»_2011 г. в_часов на заседании

Специализированного совета Д.002.012.02 при Учреждении Российской академии наук Институте химической физики им. H.H. Семенова РАН по адресу: 119991, г. Москва, ул. Косыгина, д. 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИХФ РАН и на Интернет-сайте института www.chph.ras.ru.

Автореферат разослан «_»_2011 г.

Учёный секретарь Диссертационного совета кандидат физико-математических наук

Голубков М.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Диссертация направлена на решение фундаментальной проблемы теории горения и взрыва - количественного описания и прогнозирования перехода горения в детонацию (ПГД) во взрывчатых смесях газообразных горючих с воздухом. Несмотря на длительные экспериментальные и теоретические исследования ПГД количественная прогностическая теория этого физико-химического явления в настоящее время отсутствует. Такое положение дел объясняется чрезвычайной сложностью явления, в результате которого скорость распространения фронта химической реакции увеличивается на 3-4 порядка (от нескольких десятков см/с до 1800-2000 м/с) в течение очень короткого промежутка времени (до 10-15 мс). Решение указанной фундаментальной проблемы неразрывно связано с совершенствованием техники безопасности на взрывоопасных производствах, а также с переходом к практическому использованию детонации в энергетике и на транспорте - в технологических горелках и в новых системах реактивного движения. Этим обусловлена актуальность темы диссертационной работы.

Цель работы. Цель работы - создание эффективного алгоритма и вычислительной программы для многомерного численного моделирования ПГД в каналах сложной геометрии с одновременным пространственным и временным разрешением фронтальных и объемных химических реакций в сжимаемом турбулентном газовом потоке.

Научная новизна. В работе получены следующие новые научные результаты:

(1) разработана новая модель горения с явным выделением фронта пламени (-ЯВП), сопряженная с методом частиц (МЧ), учитывающая одновременное протекание фронтальных и объемных химических реакций;

(2) новая ЯВП-МЧ-модель проверена на экспериментальных данных по распространению пламени в воздушных смесях водорода, метана и пропана в полуоткрытых гладких трубах и трубах с регулярными препятствиями, а также в закрытых сосудах;

(3) впервые с помощью численного моделирования показано, что предпламен-ное самовоспламенение газа при горении в закрытом сосуде имеет ярко выраженный очаговый характер, причем видимая скорость распространения объемной реакции в предпламенной зоне определяется предысторией процесса горения, непостоянна по времени и неизотропна по пространству;

(4) с помощью новой модели впервые проведен многомерный расчет ПГД в стехиометрической пропано-воздушной смеси в канале с ускорителем пламени в виде регулярных препятствий и фокусирующим элементом в виде сопла и показано, что удельный импульс силы, действующей на закрытый конец канала, составляет ~2500 с;

(5) с помощью новой ЯВП-МЧ-модели впервые проведены многомерные расчеты нестационарного газодинамического течения в воздушно-реактивном импульсном детонационном двигателе (ИДД), работающем в циклическом режиме на газообразном пропане, и его обтекания в условиях сверхзвукового полета с числом Маха 3.0 на высоте 9.3 и 16 км;

(6) впервые показано, что в воздушно-реактивном ИДД с длиной и диаметром тракта 2.12 м и 83 мм возможен циклический рабочий процесс с частотой 48 Гц с быстрым ПГД на расстоянии всего 5-6 калибров камеры сгорания;

(7) впервые показано, что удельный импульс воздушно-реактивного ИДД в условиях сверхзвукового полета с числом Маха 3.0 приблизительно составляет 1700 с, что существенно выше удельного импульса, характерного для прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ПВРД) на обычном горении в тех же условиях полета (1200-1500 с).

Практическая значимость. Разработанный алгоритм и вычислительная программа, адаптированная для массивно-параллельных расчетов ПГД и детонации, станут инструментом для проведения научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, направленных на создание взрывобезопасных технологий и взрывозащищенных сооружений, экологически чистых камер сгорания, а также устройств новой техники - импульсных детонационных газо-

динамических устройств (реактивных тяговых модулей, горелок, испарителей, размельчителей и др.).

Основные результаты, представляемые к защите. На защиту выносятся следующие результаты:

(1) Новая ЯВП-МЧ-модель, учитывающая одновременное протекание фронтальных (во фронте пламени) и объемных (в предпламенной зоне и в продуктах горения) химических реакций;

(2) Результаты сравнения расчетов по ЯВГГ-МЧ-модели с экспериментальными данными по распространению пламени в гладких трубах, трубах с регулярными препятствиями и в закрытых сосудах;

(3) Результаты трехмерных расчетов турбулентного горения пропано-воздуш-ных смесей с образованием «быстрого» и «термического» оксида азота, а также двумерных расчетов предпламенного самовоспламенения водородо-воздушной смесей в закрытых сосудах разной геометрии;

(4) Результаты двумерного расчета ПГД в стехиометрической пропано-воздушной смеси в канале с ускорителем пламени в виде регулярных препятствий и фокусирующим элементом в виде сопла и оценки удельного импульса силы, действующей на закрытый конец канала;

(5) Результаты двумерных расчетов нестационарного осесимметричного газодинамического течения в воздушно-реактивном ИДЦ, работающем в циклическом режиме на газообразном пропане, и его обтекания в условиях сверхзвукового полета с числом Маха 3.0 на высоте 9.3 и 16 км;

(6) Результаты расчетов характеристик (суммарной силы, силы тяги, силы аэродинамического сопротивления, расхода горючего, удельного импульса) воздушно-реактивного ИДЦ в условиях сверхзвукового полета с числом Маха 3.0 на высоте 9.3 и 16 км.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на научных сессиях МИФИ (2008, 2009 и 2010, г. Москва); семинарах и научных конференциях отдела горения и взрыва ИХФ РАН (2009, 2010, г. Москва); на Ш и IV Международных симпозиумах по неравновесным

процесссам, горению и атмосферным явлениям (2007 и 2009, г. Сочи); на XXXIII и XXXIV Академических чтениях по космонавтике (2009 и 2010, г. Москва); на VI и VII Международных коллоквиумах по импульсной и непрерывной детонации (2008, г. Москва; 2010, г. Санкт-Петербург); на VII и VIII Международных симпозиумах по опасности, подавлению и предотвращению промышленных взрывов (2008, г. Санкт-Петербург; 2010, г. Йокогама, Япония); на XIV Симпозиуме по горению и взрыву (2008, г. Черноголовка); на II конференции «Атмосфера, ионосфера, безопасность» (2010, г. Калининград); и на ХХГП Международной конференции «Уравнения состояния вещества» (2008, п. Эльбрус).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 23 работах, включая 11 статей и 12 тезисов докладов на тематических конференциях. Личный вклад автора. Соискатель принимал непосредственное участие в постановке задач, разработке вычислительных программ, проведении расчетов, их обработке и анализе, а также подготовке статей и докладов на конференциях. Структура работы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 145 страницах, включая 12 таблиц и 79 иллюстраций.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Введение. Во введении обоснована актуальность темы диссертации и практическая значимость проведенных исследований, сформулирована цель работы и пути ее достижения. Коротко описаны основные научные результаты и их научная новизна. Приведены основные положения, выносимые на защиту. Глава 1. Обзор литературы. В Главе 1 представлен критический обзор литературы по моделям турбулентности и моделям горения, а также по расчетам газодинамического течения в моделях воздушно-реактивных ИДД и их тяговых характеристик.

Глава 2. Математическая модель химически реагирующего течения. В

Главе 2 приведено описание математической модели турбулентного реагирующего течения и новой ЯВП-МЧ-модели горения, учитывающей одновременное

протекание фронтальных и объемных химических реакций, а также реакций образования вредных веществ в продуктах горения.

Течение вязкого сжимаемого газа описывали осредненными по Рейнольд-су двумерными нестационарными уравнениями Навье-Стокса, энергии и неразрывности химических компонентов смеси. Турбулентные потоки вещества, количества движения и энергии, входящие в определяющие уравнения, моделировали с помощью стандартной к-£- модели турбулентности. Систему уравнений замыкали калорическим и термическим уравнениями состояния идеального газа с переменной теплоемкостью, а также начальными и граничными условиями. Все теплофизические параметры газа считались переменными.

При моделировании химических источников в уравнениях для массовой доли 1-го компонента смеси и сохранения энергии 2 при турбулентном горении учитывали вклад как фронтального горения (индекс /), так и объемных предпламенных реакций (индекс V):

П=г1}+гп, й = й/+йу Для определения г^ и ¡2/ использовали алгоритм ЯВП. Вклады объемных реакций, ¡-¡у и , определяли с помощью МЧ.

Алгоритм ЯВП основан на модели кусочно-турбулентного пламени и принципе суперпозиции Гюйгенса. Фронт пламени представляется набором бесконечно тонких элементарных площадок (элементов), отделяющих свежую смесь от продуктов горения. В турбулентном потоке каждый 1-й элемент фронта пламени движется с локальной мгновенной скоростью йц, равной

сумме нормальной скорости турбулентного горения «п = м„575т( и скорости течения йi: й^ = йТ1 + и,. Здесь ип - нормальная скорость ламинарного пламени, 5 - площадь поверхности искривленного фронта пламени, - площадь поверхности / -го элемента пламени, а длина вектора скорости м,- определяется как н, = иI +и' (¿7,- - средняя скорость).

Локальную скорость турбулентного горения ит можно определить по одной из известных моделей турбулентного пламени. Например, в модели Щелкина ит ~ ип^1 + и'21игп , т.е. ит зависит от локальной скорости ип и локальной пульсационной скорости £/'. В алгоритме ЯВП скорость ламинарного пламени и„ берется из подробных электронных таблиц как функция начальных значений температуры, давления и концентраций компонентов в смеси. Такие таблицы составляются на основе решения задачи о структуре плоского ламинарного пламени с использованием либо детальных, либо полуэмпирических кинетических механизмов и содержат информацию о концентрационных пределах распространения пламени. Что касается составляющих локальной скорости течения и и и', то они определяются из решения системы осредненных уравнений течения по специальной процедуре интерполяции.

Таким образом, алгоритм ЯВП позволяет в каждый момент времени для любого выбранного контрольного объема (вычислительной ячейки) определить площади поверхности всех элементов пламени 5т,- и соответствующие им значения нормальной скорости турбулентного горения ип и, следовательно, рассчитать вклад фронтального горения г1; и ¡2у в химические источники г; и £): ■V <2/

где У[ - средняя массовая доля 1-го компонента в предпламенной зоне, V -объем вычислительной ячейки, 12 - тепловой эффект реакций горения в пламени, а суммирование производится по всем элементам фронта пламени в ячейке.

Одно из преимуществ алгоритма ЯВП - возможность его использования как для расчета начальной стадии распространения фронта пламени (когда пламя ламинарное), так и для последующего ускорения пламени, когда пламя искривляется турбулентными пульсациями. Действительно, отличие между используемыми моделями турбулентного и ламинарного горения гомогенных смесей газов заключается только в использовании скорости ит вместо и„. Кроме того, известные формулы для вычисления ит, как правило, дают асимптотичес-

8

кий переход от турбулентного к ламинарному режиму распространения фронта пламени в отсутствие турбулентности (когда и' —>0, ит —» ип).

В алгоритме МЧ, используемом для определения вкладов объемных предпламенных реакций гп и ¿у в химические источники, мгновенные локальные состояния турбулентного реагирующего течения представляются в виде набора взаимодействующих (лагранжевых) частиц. Каждая /-я частица обладает индивидуальными свойствами: положением в пространстве х'к и тремя локальным мгновенными компонентами скорости и[ (к = 1,2,3), объемом V', плотностью р', статической энтальпией Л1, массовыми долями химических компонентов у! (/ = 1,...,Л0 и статистическим весом уу', используемым при определении средних значений переменных по ансамблю частиц. Для каждой 1-й частицы решается система уравнений движения, непрерывности химических компонентов и энергии. Для определения потоковых (обменных) членов, описывающих молекулярную диффузию и теплопроводность, а также вязкое трение, в МЧ используются классические модели линейной релаксации к среднему. Средние значения концентрации, скорости и энтальпии определяются либо интерполяцией соответствующих средних значений, полученных из решения осредненных уравнений течения, либо осреднением по ансамблю частиц. Поле среднего давления Р(1, хк) и локальная частота турбулентных пульсаций, требуемые для решения системы уравнений МЧ, определяются из решения осредненных уравнений течения и уравнений к - е-модели турбулентности.

Важнейшее преимущество МЧ - возможность точного определения скоростей химических реакций в турбулентном потоке: вклад объемных реакций ¡¡у и ¿у в химические источники и <2 определяется формулами:

где и <2у - изменение массовой концентрации 1-го вещества и скорость энерговыделения за счет химических реакций в г-н частице соответственно.

Для численного решения задачи сопряженную модель ЯВП-МЧ с электронными таблицами скорости ламинарного пламени и кинетическим механизмом предпламенного окисления горючего (водород, метан, пропан) в частицах внедрили в газодинамический пакет. Задачу решали численно методом контрольных объемов, используя последовательные приближения с коррекцией давления (БШРЬЕ-метод). Влияние твердых поверхностей на характеристики течения учитывали с помощью пристеночных функций.

Глава 3. Расчет -ускорения фронта пламени и перехода горения в детонацию. В Главе 3 разработанную модель химически реагирующего течения применили для расчета ускорения фронта пламени в гладких трубах и трубах с регулярными препятствиями, а также для моделирования ПГД.

В первой серии расчетов рассмотрели динамику ускорения стехиометрии-ческого пропано-воздушного пламени в прямых гладких трубах квадратного сечения 40x40 мм2 разной длины (2.6, 3.6, 5.1 и 6.1 м) с одним открытым и одним закрытым концом и сравнили результаты расчетов с экспериментальными данными Б. Вейсьера (Франция). Использовали плоскую однородную структурированную сетку с размером ячеек 2 мм. В каждой расчетной ячейке фронт пламени описывали не менее чем 15 элементами. Начальный очаг пламени представляли в виде круга радиусом 1 мм, расположенного на расстоянии 1 см от закрытого конца трубы на плоскости симметрии.

На рис. 1 проведено сравнение расчетных (сплошные кривые) и экспериментальных (штриховые кривые) зависимостей пройденного пламенем расстояния от времени. Как и в экспериментах, в качестве характерной точки на фронте пламени выбирали лидирующую точку. Несмотря на то, что двумерный расчет распространения фронта пламени по каналу квадратного сечения не может претендовать на точное отражение реальной трехмерной структуры течения, видно удовлетворительное согласие расчетов с экспериментальными

данными. Важно то, что расчет дает правильное качественное и удовлетвори-

10

тельное количественное описание движения фронта пламени от закрытого конца трубы к открытому и учитывает взаимодействие пламени с возникающими волнами разрежения и сжатия.

Дифференцирование расчетной кривой, представленной на рис. 1, дает зависимость видимой скорости фронта пламени от времени. Например, на рис. 2 показана расчетная зависимость видимой скорости пламени от пройденного расстояния для трубы длиной 6.1 м. Видно, что ближе к открытому концу трубы видимая скорость пламени достигает 400 м/с. Ускорение фронта пламени немонотонно. Локальные максимумы и минимумы на рис. 2 соответствуют взаимодействиям фронта пламени с волнами сжатия и разрежения. Эти волны возникают вследствие отражений от закрытого и открытого концов трубы волн давления, формирующихся при ускорении фронта пламени.

Взаимодействие пламени с волнами сжатия и разрежения влияет не только на его движение, но и на изменение его осредненной формы. В расчетах наблюдались разные формы пламени, включая тюльпанообразную форму (см. вставку на рис. 2), которая регистрировалась в экспериментах. Такая форма пламени возникает после первого взаимодействия с волной сжатия, отраженной от открытого конца трубы, когда видимая скорость пламени достаточно мала.

300

0,00 0,05 0,10

время, с

2 3 4

Расстояние, м

Рис. 1 Сравнение расчетной (сплошная кривая) и

экспериментальной (штриховая кривая) зависимостей расстояния, пройденного пламенем в трубе длиной 6.1 м, от времени.

Рис. 2 Расчетная зависимость видимой скорости фронта пламени от пройденного расстояния.

Во второй серии расчетов рассмотрели динамику ускорения стехиометрического пропано-воздушного пламени в прямой цилиндрической трубе круглого сечения диаметром 152 мм и длиной 3.1 м с регулярными кольцевыми препятствиями. Один конец трубы был открыт в атмосферу, а другой закрыт. Расчеты проводили для условий, в которых выполнялись эксперименты Г. Цикарелли (США). Кольцевые препятствия имели степень затенения сечения 0.43,0.6 и 0.75 и устанавливались с шагом, равным диаметру трубы. Степень затенения определяли как отношение площади препятствий к площади поперечного сечения трубы. Результаты расчетов сравнивали с экспериментальными данными. В расчетах использовали двумерную осесимметрич-ную расчетную сетку с теми же настройками, что и в первой серии.

На рис. 3 приведено сравнение экспериментальных и расчетных зависимостей скорости фронта пламени от пройденного расстояния для трех значений степени затенения сечения препятствиями. Видно, что результаты расчетов удовлетворительно согласуются с экспериментальными наблюдениями. Очень хорошее согласие наблюдается на начальном участке ускорения пламени до 300-400 м/с. Пламя ускоряется до скорости 800-900 м/с, что соответствует адиабатической скорости звука в продуктах горения (около 890 м/с). На начальной стадии, ускорение пламени более эффективно в трубе с большими препятствиями.

Рис. 3 Сравнение расчетных (кривые) и экспериментальных (точки) зависимостей видимой скорости фронта пламени от пройденного расстояния.

В третьей серии расчетов рассмотрели динамику образования ударной волны при ускорении стехиометрического метано-воздушного пламени в трубе

12

сложной геометрии, показанной на рис. 4. В такой трубе проводились эксперименты в лаборатории детонации ИХФ РАН. Труба состояла из форкамеры, расширительной секции с перфорированной перегородкой и длинной прямой цилиндрической трубы круглого сечения с участком, занятым регулярными кольцевыми препятствиями. Смесь зажигали у закрытого (левого) конца форкамеры. Другой конец трубы (правый) был открыт в атмосферу. 280

Рис. 4 Конфигурации экспериментальной установки ИХФ РАН.

ДЦЗ

эксперимент

ДЦ4

эксперимент

33 34 35 Время, мс

33,5 34,0 34,5 35,0 Время, мс

ДД5

эксперимент

f f^W^,,.,

1— расчет

34 35 36

Время, мс

Рис. 5 Сравнение расчетных и экспериментальных записей датчиков давления ДДЗ - ДД5.

На рис. 5 представлено сравнение расчетных и экспериментальных записей датчиков давления ДЦ1 - ДЦ5 (см. рис. 4). Видно хорошее качественное и количественное согласие результатов. Отметим, что отклонение измеренной и расчетной скорости ударной волны на участке от датчика ДД1 до датчика ДД5 не превышало 15-20%.

Разработанную модель химически реагирующего течения применили для расчета ПГД в плоском полуоткрытом канале высотой 52 мм и длиной 3 м с

ускорителем пламени (секция с регулярными кольцевыми препятствиями со степенью затенения 0.25 и шагом 20 мм) и фокусирующим устройством (сужи-вающе-расширяющееся сопло длиной 0.5 м), показанном на рис. 6. В лаборатории детонации ИХФ РАН в трубе такой конфигурации экспериментально получен быстрый ПГД в стехиометрической пропано-воздушной смеси.

и—и—и—^гНг!"

1280

220

13. .53

_5Ш_

1000

Рис. 6 Схематичное изображение канала с ускорителем фронта пламени и фокусирующим устройством.

В расчетах в начальный момент времени смесь полностью заполняла канал, покоилась и находилась при нормальных условиях. Для моделирования «безграничной» атмосферы, окружающей канал, к его открытому концу присоединяли большой буферный объем с воздухом, находящимся при давлении 1 атм. Смесь зажигали на расстоянии 1 см от закрытого конца трубы с помощью начального очага в виде круга диаметром 1 мм. Для расчета пред-пламенного самовоспламенения расчетную область перед фронтом пламени заполняли частицами. Среднее количество частиц в каждой вычислительной ячейке поддерживали на уровне 10, не допуская уменьшения количества частиц в ячейке меньше 5 и увеличения больше 20. Считали, что самовоспламенение газа в частице возникает, когда скорость нарастания температуры в ней превышала 106 К/с. Самовоспламенение одной частицы означало самовоспламенение смеси во всей ячейке, в которой находится данная частица.

Результаты расчетов оказались в качественном согласии с экспериментальными наблюдениями. После зажигания пламя сначала ускорялось до видимой скорости около 1000 м/с. Затем образованная ускоряющимся пламенем ударная волна, проходя через фокусирующее сопло, превращалась в пересжатую детонационную волну, а в дальнейшем - в квазистационарную волну детонации, распространяющуюся в гладкой секции канала. По результатам

расчетов получена оценка удельного импульса силы, действующей на закрытый конец канала от начала процесса до завершения истечения продуктов реакции. Удельный импульс составил -2500 с.

Глава 4. Расчеты горения в закрытых сосудах. В Главе 4 разработанную модель реагирующего течения применили к исследованию горения в закрытых сосудах. Сначала приведено описание результатов нестационарных трехмерных расчетов турбулентного горения пропано-воздушных смесей разного состава в цилиндрическом сосуде с учетом образования оксидов азота в пламени («быстрый» оксид азота) и в продуктах горения («термический» оксид азота). Затем приведено описание результатов расчетов предпламенного самовоспламенения при турбулентном горении стехиометрической водородо-воздушной смеси в сосудах разной геометрии.

Результаты нестационарных трехмерных расчетов турбулентного горения пропано-воздушных смесей в цилиндрическом сосуде диаметром 144.5 мм и высотой 150 мм сравнили с экспериментальными данными Хуссаина (Египет) по зависимостям давления от времени и по суммарному выходу N0. При сравнении расчетных и измеренных кривых давления получено удовлетворительное качественное и количественное согласие результатов. Следует, однако, отметить, что значения максимального давления в расчетах и в опытах несколько отличаются, что связано с использованием грубой расчетной сетки, не позволяющей точно моделировать тепловые потери в стенку камеры сгорания.

На рис. 7 приведено сравнение расчетных и экспериментальных данных по выходу N0 при горении пропано-воздушных смесей разного состава при начальном давлении 1 атм (рис. 7а) и 2 атм (рис. 76). Видно, что ЯВП-МЧ-модель дает удовлетворительный количественный и качественный прогноз для выхода N0 при горении в закрытом сосуде.

Для исследования особенностей предпламенного самовоспламенения при горении в закрытых сосудах разной геометрии провели нестационарные двумерные расчеты турбулентного горения стехиометрической водородо-воздушной смеси при повышенном начальном давлении (10 атм) и повышенной

начальной температуре (850 и 900 К). Рассмотрены три типа закрытых сосудов: с цилиндрическим и квадратным сечением, а также сосуд квадратного сечения

2500

2000

Е о- 1500

о.

О 1000

2. 500

Р = 1 атм •

расчет эксперимент

■Р = 2 атм

-■ расчет

• эксперимент

0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2

(а) (б)

Рис. 7 Сравнение расчетных (линии) и экспериментальных (точки) зависимостей выхода оксида азота от состава смеси и начального давления.

с внутренней «комнатой». Объем всех сосудов был одинаков. Для моделирования предпламенного самовоспламенения разработан простой одноступенчатый кинетический механизм окисления водорода, хорошо согласующийся с известными экспериментальными данными по задержкам самовоспламенения в выбранном диапазоне давлений (выше 10 атм) и температур (выше 850 К).

Результаты расчетов показали ряд новых возможностей и достоинств ЯВП-МЧ-модели. Как и в экспериментах, предпламенное самовоспламенение в новой модели имеет ярко выраженный очаговый характер, а видимая скорость распространения объемной реакции в предпламенной зоне определяется предысторией процесса горения, непостоянна по времени и неизотропна по пространству. Влияние предыстории процесса горения особенно проявляется при количественном сравнении результатов моделирования процесса горения в сосудах разной геометрии. Так, в цилиндрическом сосуде максимальная видимая (фазовая) скорость волны самовоспламенения в предпламенной зоне составила около 5 км/с, тогда как в сосуде квадратного сечения - около 20 км/с, а в сосуде с внутренней «комнатой» - около 50 км/с. Такое отличие связано с термоакустическими явлениями, в частности, с фокусирующим влиянием углов камеры сгорания на волны давления, порождаемые распространяющимся турбулентным пламенем.

Глава 5. Расчет течения в импульсном детонационном двигателе. В Главе 5 с помощью разработанной модели химически реагирующего течения впервые поставлена и решена задача расчета тяговых характеристик воздушно-реактивного ИДЦ, работающего на углеводородном горючем (пропане) в режиме ПГД в условиях сверхзвукового полета.

На рис. 8 показана схема осесимметричного двухконтурного ИДЦ общей длиной 2.12 м и внешним диаметром ¿=83 мм в компоновке с входным устройством, ресивером, кольцевым обводным каналом (второй контур) и камерой сгорания (первый контур), оборудованной механическим клапаном и соплом. Двигатель, работающий на газообразном пропане, обдувается стационарным сверхзвуковым потоком воздуха с числом Маха М на высоте 2.

Сверхзвуковое входное устройство выполнено по схеме, предложенной в ЦАГИ. За входным устройством предусмотрен ресивер - цилиндрический объем, предназначенный для сглаживания волновых процессов, возникающих при открытии/закрытии клапана.

Камера сгорания ИДЦ (первый контур) представляет собой трубу, состоящую из двух секций - расширяющейся конической секции с максимальным диаметром 83 мм и цилиндрической секции такого же диаметра. На начальном участке в камере сгорания расположены регулярные препятствия в виде кольцевых вставок со степенью затенения сечения 0.3. Шаг установки препятствий в конической и цилиндрической частях равен 50 и 82 мм соответственно. Последнее препятствие установлено на расстоянии 510 мм от источника зажигания. За этим препятствием до самого сопла находится гладкая цилиндрическая секция трубы длиной 1000 мм. Левый конец камеры сгорания оборудован механическим клапаном. В положении, показанном на рис. 8, клапан закрыт, и весь поток воздуха, прошедшего через входное устройство и ресивер, направляется во второй контур. При открытом клапане весь поток воздуха направляется в камеру сгорания. Правый конец камеры сгорания оборудован сверхзвуковым соплом с диаметром критического сечения 42 мм.

Рис. 8 ИДЦ со сверхзвуковым диффузором, вторым контуром, клапаном и выходным соплом.

Циклический рабочий процесс ИДД включает три стадии. На первой стадии, когда клапан открыт, камера сгорания заполняется топливно-воздуш-ной смесью (TBC). Горючее подается в некотором сечении, расположенном перед первым кольцевым препятствием. Чтобы исключить прямой контакт свежей TBC с горячими продуктами горения предыдущего цикла, горючее подается в поток воздуха с некоторой временной задержкой по отношению к моменту открытия клапана.

Когда камера сгорания заполнена TBC, клапан мгновенно закрывается, и начинается вторая стадия рабочего процесса. Горючая смесь сгорания зажигается кольцевым внешним источником в зоне обратных токов, образуемой за первым препятствием. Возникающее пламя, распространяясь в турбулентном потоке TBC, ускоряется и происходит ПГД. Образованная в результате ПГД детонационная волна распространяется вниз по течению и выходит через сопло в окружающую атмосферу.

Третья стадия рабочего процесса - истечение продуктов горения. Эта стадия продолжается до тех пор, пока давление на клапане со стороны камеры сгорания не уменьшится до некоторого заданного значения Р,, еще обеспечивающего положительное тяговое усилие. После достижения Р. клапан мгновенно открывается, и цикл повторяется.

Задача, которая решалась в диссертации, - расчет тяговых характеристик ИДД в компоновке с входным устройством и соплом в условиях сверхзвукового полета с учетом всех физико-химических особенностей окисления и горения пропана, а также конечного времени ускорения турбулентного пламени и ПГД. При численном решении задачи в момент зажигания перед фронтом пламени случайным образом разбрасывались частицы, используемые в МЧ для расчета

18

предпламенных процессов. Средняя числовая плотность частиц составляла 10 частиц на ячейку. Уравнения МЧ решали по явной схеме с использованием генераторов случайных чисел.

В табл. 1 представлен пятиступенчатый глобальный кинетический механизм, использованный в ЯВП-МЧ-модели. Отметим, что кинетические параметры этого механизма (энергия активации Е и предэкспоненциальный множитель А) зависят от давления и состава смеси. При моделировании объемных реакций для реакции 1 брали разные значения Ех и А, при температуре Т < 775 К и Т > 775 К. Такой прием позволял моделировать предпламенное двух-стадийное самовоспламенение с возникновением «холодного» пламени и последующим горячим взрывом.

Таблица 1 Глобальный кинетический механизм окисления пропана

№ Реакция

1 С3Н8 + 3.502 -> ЗСО + 4Н20

2,3 СО + Н20 со2 + Н2

4 Н2 + Н2 + Oj Н20 + Н20

5 СО + СО + 02 -»С02 + С02

Расчеты рабочего процесса в ИДД проведены для условий сверхзвукового полета с М =3.0 на высоте 2=9.3 и 16 км. Параметры воздуха на высоте 9.3 км: давление Ра = 0.29 атм, температура Та =228 К. На высоте 16 км те же параметры воздуха имеют значения 0.104 атм и 217 К соответственно. Для определения тяговых характеристик ИДД проводили сквозной расчет нескольких рабочих циклов с учетом внешнего обтекания двигателя. При расчете аэродинамического сопротивления учитывали как сопротивление давления, так и силу вязкого трения на всех твердых поверхностях ИДД.

Расчеты показали, что начальный период горения в ИДД развивается относительно медленно. Далее фронт пламени быстро ускоряется, формируя перед собой волну сжатия, а затем и ударную волну, которая впоследствии приводит к ПГД. Переход горения в детонацию происходит на расстоянии Ьвот ~ 400 мм от источника зажигания, т.е. Ьвот = А.Ы. Образованная детонационная

волна сначала распространяется в секции с препятствиями, а затем - в гладкой секции камеры сгорания. Подчеркнем, что давление и температура

TBC в камере сгорания составляли -5 атм и -500 К. Кроме того, течение TBC имело высокую степень турбулентности. Эти факторы существенно улучшали условия для ПГД по сравнению с нормальными условиями, в которых обычно проводятся лабораторные эксперименты по ПГД.

На рис. 9 представлена расчетная временная зависимость силы, действующей на ИДД в полете в течение трех рабочих циклов. Силу считали положительной, если она действовала против направления набегающего потока. Видно, что второй и третий циклы практически идентичны, т.е. рабочий процесс устанавливается после второго цикла. Следовательно, тяговые характеристики ИДД можно оценивать, начиная со второго цикла рабочего процесса двигателя.

Интегрируя кривую, приведенную на рис. 9, можно рассчитать импульс силы для каждого рабочего цикла двигателя. Так, для второго цикла импульс силы положительный и составил -0.043 Н-с. Учитывая, что длительность цикла т /е =21 мс, для средней суммарной силы F, действующей на ИДД в полете,

получаем F =2.05 Н. Подчеркнем, что эта сила складывается из силы тяги FT и силы аэродинамического сопротивления FR двигателя: F = FT - FK. Поскольку сила F положительна, в рассматриваемых условиях ИДД может двигаться с ускорением.

Для определения силы тяги Fr, создаваемой ИДД, необходимо знать силу Fr его аэродинамического сопротивления в полете. Эту силу можно определить, решив ту же задачу, что и при построении рис, 9, но без зажигания TBC. При этом есть два способа определить силу FR; один - учесть, что при открытии клапана камера сгорания заполнена горячими продуктами предыдущего цикла (этот случай соответствует одному «пропуску» зажигания), другой -учесть, что при открытии клапана камера сгорания заполнена холодной TBC (этот случай соответствует нескольким последовательным «пропускам» зажигания). Для второго рабочего цикла расчетный импульс силы аэродинами-

ческого сопротивления составил - 0.17246 Н-с и -0.19433 Н-с соответственно. Учитывая, что тсус1с =21 мс, получим: , = - 0.17246/0.021 = - 8.21 Н и ^ 2 = - 0.19433/0.021 = - 9.25 Н, где индексы 1 и 2 соответствуют первому и второму способу оценки . Таким образом, при двух указанных способах оценки сила тяги, создаваемая ИДЦ, составила Кг, = ^ + , = 2.05 + 8.21 = 10.26 Н и ^т.2 = Р + ~ 2.05 + 9.25 = 11.3 Н. Удельный импульс ИДЦ определяли по силе тяги Рт и по массовому расходу горючего за один рабочий цикл ту по формуле:

/ -А.

5р

где # - ускорение силы тяжести. Учитывая, что во втором рабочем цикле масса горючего в камере сгорания приблизительно составила 1.28-10"5кг, и Тсуг1е = 21 мс, получим: /лр1=1720 с и 11р 2 ~ 1890 с. С учетом погрешности вычислений приходим к выводу, что удельный импульс ИДЦ при полете с М = 3.0 на высоте г = 9.3 км составил ¡,„ = 1800±100 с.

Л/*

50 60 70 80 90 100 110 120 Прем*, мс

Рис. 9 Расчетная зависимость полной силы, действующей на ИДЦ в полете на высоте 9.3 км, от времени в течение трех рабочих циклов.

Аналогичные расчеты проведены для условий полета такого же ИДЦ с М =3.0 на высоте Z =16 км. Оказалось, что в этих условиях /фЛ = Isp 2 ~

1700 с. Это значение существенно выше удельного импульса, характерного для ПВРД на обычном горении (для выбранных условий полета по разным данным 1200-1500 с).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

(1) Разработана новая модель горения с явным выделением фронта пламени, сопряженная с методом частиц, учитывающая одновременное протекание фронтальных и объемных химических реакций.

(2) Новая модель горения проверена на экспериментальных данных по ускорению пламени в гладких трубах, трубах с регулярными препятствиями и в камерах сгорания постоянного объема.

(3) Впервые с помощью численного моделирования показано, что предпламенное самовоспламенение газа при горении в замкнутом объеме имеет ярко выраженный очаговый характер, причем видимая скорость распространения объемной реакции в предпламенной зоне определяется предысторией процесса горения, непостоянна по времени и неизотропна по пространству.

(4) С помощью новой модели впервые проведен многомерный расчет ПГД в стехиометрической пропано-воздушной смеси в канале с ускорителем пламени в виде регулярных препятствий и фокусирующим элементом в виде сопла. Показано, что удельный импульс силы, действующей на закрытый конец канала составляет -2500 с.

(5) С помощью новой модели впервые проведены многомерные расчеты нестационарного газодинамического течения в воздушно-реактивном ИДД, работающем в циклическом режиме на газообразном пропане, и его обтекания в условиях сверхзвукового полета с числом Маха 3.0 на высоте 9.3 и 16 км.

(6) Впервые показано, что в воздушно-реактивном ИДД с длиной и диаметром тракта 2.12 м и 83 мм возможен циклический рабочий процесс с частотой 48 Гц с быстрым ПГД на расстоянии всего 5-6 калибров камеры сгорания.

(7) Впервые показано, что удельный импульс воздушно-реактивного ИДД в условиях сверхзвукового полета с числом Маха 3.0 приблизительно составляет 1700 с, что существенно выше удельного импульса, характерного для ПВРД на обычном горении в тех же условиях полета (1200-1500 с).

Список опубликованных работ

1. Ivanov V.S., Frolov S.M., Basevich V.Ya., Smetanyuk V.A., Ermakov A.N., Ivanov A.A. Simulation of NO formation in the turbulent reactive flow by joint velocity - scalar pdf method. In: Nonequilibrium processes: Plasma, Combustion, Atmospheric Phenomena. Moscow, Torus Press, 2007, p. 35.

2. Иванов B.C., Басевич В.Я., Фролов С.М. Модель горения газов с выделением фронта пламени. В сб.: XIV Симпозиум по горению и взрыву. Черноголовка, Из-во ИПХФ РАН, 2008, с. 73.

3. Ivanov V.S., Smetanyuk V.A., Frolov S.M. Simulation of chemical processes in turbulent flow reactors by Monte Carlo method. In: Proc. 7th ISHPMIE, St. Petersburg, July 7-11,2008, Vol. 1, pp. 217-222.

4. Иванов B.C., Фролов C.M., Год A.H. Математическое моделирование турбулентных реагирующих течений методом совместных функций плотности распределения вероятностей скорости и скаляров. В сб. XXIII Международной конференции «Уравнения состояния вещества», Эльбрус, 2008.

5. Frolov S.M., Ivanov V.S., Smetanyuk V.A., Basara В., Suffa M. Numerical simulation of propane - air turbulent flame acceleration in straight tubes of different length. In: Nonequilibrium Phenomena: Plasma, Combustion, Atmosphere. Moscow, Torus Press, 2009, pp. 356-365.

6. Frolov S.M., Ivanov V.S., Smetanyuk V.A., Basara В., Suffa M., E. von Berg. Spray penetration and vaporization in Diesel engines: Numerical simulation and experiments. In: Nonequilibrium Phenomena: Plasma, Combustion, Atmosphere. Moscow, Torus Press, 2009, pp. 324-331.

7. Frolov S.M., Ivanov V.S., Smetanyuk V.A., Basara B. Tracking of propagating turbulent flames and autoignition in enclosure. In: Proc. XXII YUMV Int. Automotive Conf. "Science and Motor Vehicles," Belgrade, 2009, pp. 1-9.

8. Иванов B.C., Сметанюк B.A., Фролов С.М. Численное моделирование гомогенного горения газов с выделением фронта пламени. В кн. тр. XXXIII академических чтений по космонавтике. М.: Комиссия РАН, 2009, с. 191-192.

9. Иванов B.C., Сметанюк В.А., Фролов С.М. Математическое моделирование начальной стадии перехода горения в детонацию в трубе с гомогенной газовой смесью. В кн. Горение и взрыв. М. Торус Пресс, 2009, Вып. 2, с.18-21.

10. Иванов B.C., Скрипник А.А., Сметанюк В.А., Фролов С.М. Численная оптимизация устройств - ускорителей пламени. В кн. тр. XXXTV академических чтений по космонавтике. М.: Комиссия РАН, 2010.

11. Сметанюк В.А., Иванов B.C., Фролов С.М. Трехмерная модель горения с выделением фронта пламени. В кн. тр. XXXIV академических чтений по космонавтике. М.: Комиссия РАН, 2010.

12. Иванов B.C., Фролов С.М. Математическое моделирование распространения пламени в гладких трубах и трубах с регулярными препятствиями. Пожаровзрывобезопасность, 2010, том 19, № 1, с. 14-19.

23

13. Иванов B.C., Фролов С.М. Математическое моделирование перехода горения в детонацию в трубе со спиралью Щелкина и фокусирующим устройством. В кн. Горение и взрыв. М.: Торус Пресс, 2010, Вып. 3, с. 63-70.

14. Иванов B.C. Математическое моделирование перехода горения в детонацию методом выделения фронта пламени и методом частиц Сб. трудов научной сессии МИФИ-2010, М.: МИФИ, 2010.

15. Frolov S.M., Ivanov V.S. Turbulent combustion with localized preflame autoignition of hydrogen - air mixture in an enclosure. In: AIS-2010 "Atmosphere, Ionosphere, Safety. Kaliningrad: KSU Publ., 2010, pp. 66-69.

16. Frolov S.M., Ivanov V.S., Basara В., Suffa M. Particle methods in turbulent combustion: Numerical simulation of pollutant formation. In: AIS-2010 "Atmosphere, Ionosphere, Safety. Kaliningrad: KSU Publ., 2010, pp. 25-28.

17. Aksenov V.S., Frolov S.M., Ivanov V.S., Mailkov A.E., Skripnik A.A., Smetanyuk V.A. Experimental studies of methane - air flame acceleration in tubes with obstacles. In: AIS-2010 "Atmosphere, Ionosphere, Safety. Kaliningrad: KSU Publ., 2010, pp. 69-71.

18. Frolov S.M., Ivanov V.S., Basara В., Suffa M. Numerical simulation of localized preflame autoignition in enclosures. In: Proc. 8th ISHPMIE, Iokohama, Japan, 2010, paper ISH036.

19. Frolov S.M., Ivanov V.S. Combined flame tracking-particle method for numerical simulation of deflagration-to-detonation transition. Deflagrative and detonative combustion. Moscow: Torus press, 2010, pp. 133-155.

20. Frolov S.M., Ivanov V.S., Mailkov A.E., Smetanyuk V.A. Experimental and numerical investigation of flame acceleration in natural gas-air mixture. In: ICPCD-2010, p. 8.

21. Frolov S.M., Aksenov V.S., Ivanov V.S., Medvedev S.N., Skripnik A.A., Smetanyuk V.A. Experimental study of deflagration-to-detonation transition in natural gas-air mixture. In: ICPCD-2010, p. 8.

22. Frolov S.M., Ivanov V.S. Numerical simulation of pulse operation and performance of a single-tube air-breathing PDE in flight conditions. In: ICPCD-2010, p. 26.

23. Иванов B.C., Фролов С.М. Математическое моделирование рабочего процесса и тяговых характеристик воздушно-реактивного импульсного детонационного двигателя в условиях сверхзвукового полета. Химическая физика, 2011 (принята в печать).

Подписано в печать: 12.01.11

Объем: 1,5 усл.п.л. Тираж: 100 экз. Заказ № 787 Отпечатано в типографии «Реглет» 119526, г. Москва, пр-т Вернадского,39 (495) 363-78-90; www.reglet.ru

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1: Обзор литературы.

1.1 Модели турбулентности.

1.2 Модели горения.

1.3 Модели образования оксидов азота.

1.4 Модели перехода горения в детонацию.

1.5 Расчеты рабочего процесса ИДД.

Глава 2: Математическая модель химически реагирующего течения.

2.1 Модель турбулентного течения газа.

2.2 Модель фронтального горения.

2.3 Модели объемного горения.

Глава 3: Расчет ускорения фронта пламени и перехода горения в детонацию.

3.1 Сравнение с экспериментальными данными.

3.2 Расчет перехода горения в детонацию в пропане.

Глава 4: Расчеты горения в закрытых сосудах.

4.1 Горение пропана.

4.2 Горение водорода.

Глава 5: Расчет течения в импульсном детонационном двигателе.

Диссертация направлена на решение фундаментальной проблемы теории горения и взрыва - количественного описания и прогнозирования перехода горения в детонацию (ПГД) во взрывчатых смесях газообразных горючих с воздухом. Несмотря на длительные экспериментальные и теоретические исследования ПГД количественная прогностическая теория этого физико-химического явления в настоящее время отсутствует. Такое положение дел объясняется чрезвычайной сложностью явления, в результате которого скорость распространения фронта химической реакции увеличивается на 3-4 порядка (от нескольких десятков см/с до 1800-2000 м/с) в течение очень короткого промежутка времени (до 10-15 мс). Решение указанной фундаментальной проблемы неразрывно связано с совершенствованием техники безопасности на взрывоопасных производствах, а также с переходом к практическому использованию детонации в энергетике и на транспорте - в технологических горелках и в новых системах реактивного движения. Этим обусловлена актуальность темы диссертационной работы.

Цель работы — создание эффективного алгоритма и вычислительной программы для многомерного численного моделирования ПГД в каналах сложной геометрии с одновременным пространственным и временным разрешением фронтальных и объемных химических реакций в сжимаемом турбулентном газовом потоке.

Научная новизна. В работе получены следующие новые научные результаты:

1) разработана новая модель горения с явным выделением фронта пламени, сопряженная с методом частиц, учитывающая одновременное протекание фронтальных и объемных химических реакций;

2) новая модель горения с явным выделением фронта пламени и методом частиц проверена на экспериментальных данных по распространению пламени в воздушных смесях водорода, метана и пропана в полуоткрытых гладких трубах и трубах с регулярными препятствиями, а также в закрытых сосудах;

3) впервые с помощью численного моделирования показано, что предпламенное самовоспламенение газа при горении в закрытом сосуде имеет ярко выраженный очаговый характер, причем видимая скорость распространения объемной реакции в предпламенной зоне определяется предысторией процесса горения, непостоянна по времени и неизотропна по пространству;

4) с помощью новой модели впервые проведен многомерный расчет ПГД в стехиометрической пропано-воздушной смеси в канале с ускорителем пламени в виде регулярных препятствий и фокусирующим элементом в виде сопла и показано, что удельный импульс силы, действующей на закрытый конец канала составляет -2500 с;

5) с помощью новой модели горения с явным выделением фронта пламени и методом частиц впервые проведены многомерные расчеты нестационарного газодинамического течения в воздушно-реактивном импульсном детонационном двигателе (ИДД), работающем в циклическом режиме на газообразном пропане, и его обтекания в условиях сверхзвукового полета с числом Маха 3.0 на высоте 9.3 и 16 км;

6) впервые показано, что в воздушно-реактивном ИДД с длиной и диаметром тракта 2.12 м и 83 мм возможен циклический рабочий процесс с частотой 48 Гц с быстрым ПГД на расстоянии всего 5-6 калибров камеры сгорания;

7) впервые показано, что удельный импульс воздушно-реактивного ИДД в условиях сверхзвукового полета с числом Маха 3.0 приблизительно составляет 1700 с, что существенно выше удельного импульса, характерного для прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ПВРД) на обычном горении в тех же условиях полета (12001500 с).

Практическая значимость. Разработанный алгоритм и вычислительная программа, адаптированная для массивно-параллельных расчетов ПГД и детонации, станут инструментом для проведения научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, направленных на создание взрывобезопасных технологий и взрывозащищенных сооружений, экологически чистых камер сгорания, а также устройств новой техники -импульсных детонационных газодинамических устройств (реактивных тяговых модулей, горелок, испарителей, размельчителей и др.).

Основные результаты, представляемые к защите. На защиту выносятся следующие результаты:

1) Новая модель горения с явным выделением фронта пламени и методом частиц, учитывающая одновременное протекание фронтальных (во фронте пламени) и объемных (в предпламенной зоне и в продуктах горения) химических реакций;

2) Результаты сравнения расчетов по модели горения с явным выделением фронта пламени и методом частиц с экспериментальными данными по распространению пламени в гладких трубах, трубах с регулярными препятствиями и в закрытых сосудах;

3) Результаты трехмерных расчетов турбулентного горения пропано-воздушных смесей с образованием «быстрого» и «термического» оксида азота, а также двумерных расчетов предпламенного самовоспламенения водородо-воздушной смесей в закрытых сосудах разной геометрии.

4) Результаты двумерного расчета ПГД в стехиометрической пропано-воздушной смеси в канале с ускорителем пламени в виде регулярных препятствий и фокусирующим элементом в виде сопла и оценки удельного импульса силы, действующей на закрытый конец канала;

5) Результаты двумерных , расчетов нестационарного осесимметричного газодинамического течения в воздушно-реактивном ИДД, работающем в циклическом режиме на газообразном пропане, и его обтекания в условиях сверхзвукового полета с числом Маха 3.0 на высоте 9.3 и 16 км;

6)Результаты расчетов характеристик (суммарной силы, силы тяги, силы аэродинамического сопротивления, расхода горючего, удельного импульса) воздушно-реактивного ИДД в условиях сверхзвукового полета с числом Маха 3.0 на высоте 9.3 и 16 км.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на научных сессиях МИФИ (2008, 2009 и 2010, г. Москва); семинарах и научных конференциях отдела горения и взрыва ИХФ РАН (2009, 2010, г. Москва); на III и IV Международном симпозиуме по неравновесным процессам, горению и атмосферным явлениям (2007 и 2009 г. Сочи); на XXXIII и XXXIV Академических чтениях по космонавтике (2009, 2010, г. Москва); на VI и VII Международном коллоквиуме по импульсной и непрерывной детонации (2008, 2010 г. Москва, г. Санкт-Петербург); на VII и VII Международном симпозиуме по опасности, подавлению и предотвращению промышленных взрывов (2008, 2010, г. Санкт-Петербург, г. Йокогама, Япония); на XIV Симпозиуме по горению и взрыву (2008, г. Черноголовка); на II конференции Атмосфера, ионосфера, безопасность (2010, г. Калиниград); и на XXIII Международной конференции «Уравнения состояния вещества» (2008, пос. Эльбрус).

Личный вклад автора. Соискатель принимал непосредственное участие в постановке задач, разработке вычислительных программ, проведении расчетов, их обработке и анализе, а также подготовке статей и докладов на конференциях.

Структура диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 96 наименования.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1) Разработана новая модель горения с явным выделением фронта пламени, сопряженная с методом частиц, учитывающая одновременное протекание фронтальных и объемных химических реакций.

2) Новая модель горения проверена на экспериментальных данных по ускорению пламени в гладких трубах, трубах с регулярными препятствиями и в камерах сгорания постоянного объема.

3) Впервые с помощью численного моделирования показано, что предпламенное самовоспламенение газа при горении в замкнутом объеме имеет ярко выраженный очаговый характер, причем видимая скорость распространения объемной реакции в предпламенной зоне определяется предысторией процесса горения, непостоянна по времени и неизотропна по пространству.

4) С помощью новой модели впервые проведен многомерный расчет ПГД в стехиометрической пропано-воздушной смеси в канале с ускорителем пламени в виде регулярных препятствий и фокусирующим элементом в виде сопла. Показано, что удельный импульс силы, действующей на закрытый конец канала составляет -2500 с.

5) С помощью новой модели впервые проведены многомерные расчеты нестационарного газодинамического течения в воздушно-реактивном ИДД, работающем в циклическом режиме на газообразном пропане, и его обтекания в условиях сверхзвукового полета с числом Маха 3.0 на высоте 9.3 и 16 км.

6) Впервые показано, что в воздушно-реактивном ИДД с длиной и диаметром тракта 2.12 м и 83 мм возможен циклический рабочий процесс с частотой 48 Гц с быстрым ПГД на расстоянии всего 5-6 калибров камеры сгорания.

7) Впервые показано, что удельный импульс воздушно-реактивного ИДД в условиях сверхзвукового полета с числом Маха 3.0 приблизительно составляет 1700 с, что существенно выше удельного импульса, характерного для ПВРД на обычном горении в тех же условиях полета (1200-1500 с).

1. Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Теоретическая физика. Том VI. Гидродинамика. М.: Наука, 1986.

2. Pope S.B. Turbulent Flows. Cambridge: University Press, 2000.

3. FIRE Users Manual Version v2008 AVL List GmbH Graz, Austria, 2008.

4. Bardina J.E., Huang P.G., Coakley T.J. Turbulence Modeling Validation, Testing, and Development//NASA Technical Memorandum. 1997, 110446.

5. Jones W.P., and Launder B.E. The Prediction of Laminarization with a Two-Equation Model of Turbulence // Int. Journal of Heat and Mass Transfer. 1972. Vol. 15. P. 301314.

6. Launder B.E., and Sharma B.I. Application of the Energy Dissipation Model of Turbulence to the Calculation of Flow Near a Spinning Disc // Letters in Heat and Mass Transfer. 1974. Vol. 1. №. 2. P. 131-138.

7. Wilcox D.C. Re-assessment of the scale-determining equation for advanced turbulence models //AIAA Journal. 1988. Vol. 26. P. 1414-1421.

8. Warnatz J., Maas U., Dibble R.W. Combustion physical and chemical fundamentals, modeling and simulations, experiments, pollutant formation. Springer, 2001.

9. Germano M., Piomelli U., Moin P. and Cabot W.H. A dynamic sub-grid scale eddy viscosity model //Physics of Fluids. 1991. A(3). P. 1760-1765.

10. You D. and Moin P. A dynamic global-coefficient subgrid-scale eddy-viscosity model for large-eddy simulation in complex geometries // Physics of Fluids. 2007. Vol. 19(6).

11. Kim W and Menon S. A new dynamic one-equation subgrid-scale model for large eddy simulation // In 33rd Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Reno, NV, 1995.

12. Nicoud F. and Ducros F. Subgrid-scale modelling based on the square of the velocity gradient tensor// Flow, Turbulence and Combustion. 1999. Vol. 62. P. 183-200.

13. Smagorinsky J. General circulation experiments with the primitive equations, i. the basic experiment // Monthly Weather Review. 1963. Vol. 91. P. 99-164.

14. Reynolds W.C. The potential and limitations of direct and large eddy simulation // In: Whither turbulence? Turbulence and crossroads // Lecture notes in physics, N.Y.: Springer, 1989. P. 313.

15. Spalding D.B. Mixing and chemical reaction in steady confined turbulent flames // 13th Symp. (Intl.) Comb., The Combustion Institute, Pittsburgh, 1970. P. 649.

16. Spalding D.B. Mathematical models of turbulent flames, a review // Comb. Sci. Techn. 1976. Vol. 13. P. 3-25.

17. Pope S.B. A Monte Carlo method for the PDF equations of turbulent reactive flow // Combustion Science and Technology. 1981. Vol. 25. P. 159-174.

18. Pope S.B. The application of PDF transport equations to turbulent reactive flows // Journal of Non-Equilibrium Thermodynamics. 1982. Vol. 7. P. 1-14.

19. Pope S.B. PDF methods for turbulent reactive flows // Progress in Energy and Combustion Science. 1985. Vol. 11. P. 119-192.

20. Pope S.B. Computation of turbulent combustion: progress and challenges // Proc. Comb. Inst. 1990. Vol. 23. P. 591-612.

21. Bray K.N.C. Turbulent flows with premixed reactants // In: Turbulent reacting flows. Eds. Libby P.A., Williams F.A. N.Y.: Springer. 1980.

22. Bray K N.C., Libby P. A. Interaction effects in turbulent premixed flames // Phys. Fluids. 1976. Vol. 19. P. 1687.

23. Bray K.N.C., Moss J.B. A unified statistical model of premixed turbulent flame // Acta. Astron. 1977. Vol. 4. P. 291.

24. Pitsch H., Chen M. & Peters N. Unsteady flamelet modeling of turbulent hydrogen/air diffusion flames. // Proc. Comb. Inst. 1998. Vol. 27. P. 1057-1064.

25. Unverdi S.O., Tryggvason G. A fiont-tracking method for viscous, incompressible, multi-fluid flows // Journal of Computational Physics. 1992. Vol. 100(1). P. 25-37.

26. Chern I.L., Glimm J., Mcbryan O., Plohr B., Yaniv S. Front tracking for gas dynamics // Journal of Computational Physics. 1986. Vol. 62(1). P. 83-110.

27. Aulisa E., Manservisi S., Scardovelli R. A mixed markers and volume-oi-fluid method for the reconstruction and advection of interfaces in two-phase and free-boundary flows // Journal of Computational Physics. 2003. Vol. 188(2). P. 611-639.

28. Aulisa E., Manservisi S., Scardovelli R. A surface marker algorithm coupled to an area-preseiving marker redistribution method for three-dimensional interface tracking // Journal of Computational Physics. 2004. Vol. 197(2). P. 555-584.

29. Haldenwang P., Pignol D. Dynamically adapted mesh refinement for combustion front tracking // Computers & Fluids. 2002. Vol. 31. P. 589-606.

30. Chord R., Blasco J.A., Fueyo N. An efficient particle-locating algorithm for application in arbitrary 2D and 3D grids // Int. Journal of Multiphase Flow. 2002. Vol. 28. P. 1565.

31. Barrero D., Paulin M., Caubet R. A Physics Based Multi-Resolution Model for the Simulation of Turbulent Gases and Combustion // Workshop on Computer Animation and Simulation (EGCAS'99), Springer-Verlag, Milan, September 1999.

32. Schmidt H., Klein R. A generalized level-set/in-cell-reconstruction approach for accelerating turbulent premixed flames // Combust. Theory Modelling. 2003. Vol. 7. P. 243-267.

33. Amtzen BJ. Modeling of gas explosions in complex geometries using the Simple Interface Flame model, SIF. // Proc. 7th Symp. (Intern.) on hazards, prevention, and mitigation of industrial explosions, St. Petersburg. 2008. Vol. 1. P. 255-264.

34. Vujanovic M., Baburic M., Duic N., Priesching P., Tatschl R. Application of reduced mechanisms for nitrogen chemistry in numerical simulation of a turbulent non-premixed flame // Proc. Conference on Modelling Fluid Flow, Budapest, Hungary, 2006.

35. Rose M., Roth P., Frolov S.M., Neuhaus M.G., Klemens R. Lagrangian approach for modeling two-phase turbulent'reactive flows // Advanced Computation & Analysis of Combustion. Eds.: G.D. Roy, S.M. Frolov, P. Givi. Moscow: ENAS Publ. 1997. P. 175195.

36. Rose, M., P. Roth, and S. M. Frolov. Modelling of turbulent gas/particle combustion by a Lagrangian PDF method//Combust. Sci. Techn. 1999. Vol. 149. P. 95-113.

37. Зельдович Я.Б. Окисление азота при горении. М.: Физикохим, 1946.

38. Fenimore С.Р. Studies of fuel-nitrogen in rich flame gasses. // 17th Symp. Comb., The Combustion Institute, Pittsburgh, 1979. P. 661.

39. Щелкин К.И. Быстрое горение и спиновая детонация газов. М.: Воениздат, 1949.

40. Lee С.О. and Sichel М. An investigation of the steady flame propagation in a duct // Proc. Meeting of the Eastern Section of the Combustion Institute, Orlando, Dec. 3-5, 1990.

41. Oran E.S., Gamezo V.N. Origins of the deflagration-to-detonation transition in gas phase combustion // Combustion and Flame. 2007. Vol. 148(1/2). P. 5-45.

42. Kessler D.A., Gamezo V.N., Oran E.S. Simulations of flame acceleration and deflagration-to-detonation transitions in methane-air systems // Combustion and Flame. 2010. Vol. 157(11). P. 2063-2077.

43. Bone W.A., Fraser R.P. // Phil. Trans. Roy. Soc. 1929. Vol. A228. P. 197.

44. Зельдович Я.Б. Теория горения и детонации газов. М.: Изд-во АН СССР, 1944

45. Oppenheim А.К. Introduction to Gasdynamics of Explosions. Wien-N.Y.: Springer, 1972.

46. Lee J.H.S., Moen I. The mechanism of transition from deflagration to detonation in vapor cloud explosions //Progr. Energy Combust. Sci. Vol. 6. 1980. P. 359-377.

47. Хиггинс А.Дж., Пинар П., Иошинака А.К., Ли Дж.Х.С. // Импульсные детонационные двигатели / Под ред. Фролова С.М. М.: Торус Пресс, 2006. С. 65.

48. Frolov S.M., Basevich V.Ya., Aksenov V.S., PolikhovS.A. Detonation initiation by. controlled triggering of electric discharges // J: Propulsion and Power. 2003. Vol. 19(4). P. 573-580.'

49. Фролов C.M., Басевич В.Я.', Аксенов B.C., Полихов С.А. Инициирование газовой детонации бегущим импульсом принудительного зажигания. // Доклады Академии наук. 2004. Т. 394, №2. С. 222-224.

50. Фролов С.М., Басевич*В.Я., Аксенов B.C., Полихов С.А. Инициирование газовой детонации бегущим импульсом зажигания. // Химическая физика. 2004. Т. 23. №4. С. 61-67.

51. Frolov S.M. Initiation of Strong Reactive Shocks and Detonation by Traveling Ignition Pulses // J-. Loss Prevention. 2005. Vol 19/2-3. P. 238-244.

52. Frolov S.M. Liquid-fueled air-breathing pulse detonation engine demonstrator: Operation principles and Performance // J. Propulsion and Power. 2006. №6. P. 1162-1169.

53. Frolov S.M., Basevich V. Ya., Aksenov V. S., Polikhov S. A. Optimization study of spray detonation initiation by electric discharge // J. Shock Waves. 2005. Vol. 14. №3. P. 175-186.

54. Басевич В.Я., Фролов C.M., Посвянский B.C. Условия существования стационарной гетерогенной детонации. // Химическая физика. 2005. Т. 24. №7. С. 58-68

55. Peraldi О., Knystautas R., Lee J.H.S. // Proc. Combust. Institute. 1986. Vol. 21. P. 1629.

56. Фролов С. M. Быстрый переход горения в'детонацию // Химическая физика. 2008. Т. 27. № 6. С. 31-44.

57. Фролов С.М. Наука о горении и проблемы современной энергетики // Российский химический журнал. 2009. Т. 52. № 6. С. 129-133.

58. Левин В.А., Марков В.В., Оеинкин С.Ф. Прямое инициирование детонации в смеси водорода с кислородом, разбавленной азотом // Изв. АН СССР. МЖГ. 1992. №6. С.151-156.

59. Левин В.А., Марков В.В., Осиникин С.Ф. Инициирование детонации в водородновоздушной смеси взрывом сферического заряда ТНТ // Физика горения и взрыва. 1995. Т. 31. №2. С. 91-95.

60. Kuznetsov М., Ciccaielli G., Dorofeev S., Alekseev V., Yankin Yu., Kim Т. H. DDT in methane-air mixtures // Shock Waves. 2002. Vol. 12. P. 215-220.

61. Kuznetsov M., Alekseev V., Matsukov I., Kim Т. H. Ignition, flame acceleration and detonations of methane air mixtures at different pressures and temperatures // In: Proc. 8th ISHPMIE, Jokohama, Japan, 2010, paper No. ISH-118.

62. Vasil'ev A. A. Optimization of accelerators of deflagration-to-detonation .transition // In: Confined detonations and pulse detonation engines / Eds.: G. Roy, S. Frolov, R. Santoro, S. Tsyganov. Moscow: Torus Press, 2003. P.' 41-48.

63. Фролов C.M., Аксенов B.C., Скрипник A.A. Инициирование детонации в смеси природного газа с воздухом в трубе с фокусирующим соплом // Доклады академии наук. 2011. Т. 436. № 3. С. 346-350.

64. Зельдович Я.Б. Об энергетическом использовании детонационного горения // М,: ЖТФ. 1940. Т. 10. №17. С. 1453-1461.

65. Babushenko D.I., Kopchenov V.I. Effect of external co-flow on wave process in pulse detonation tube // In: Nonequilibrium phenomena: Plasma, Combustion, Atmosphere. Eds.: G. D. Roy, S. M. Frolov, A. M. Starik. Moscow: Toms Press, 2009. P. 381-385.

66. Ma, Choi, Yang. Propulsive Performance of Airbreathing Pulse Detonation Engines // Journal of Propulsion and Power. 2006. Vol. 22(6). P. 1-63.

67. Иванов B.C., Фролов С.М. Математическое моделирование перехода горения в детонацию в трубе со спиралью Щелкина и фокусирующим устройством // Горение и взрыв. Под ред. С.М. Фролова. М.: Торус Пресс, 2010. Вып. 3. С. 63-70.

68. Frolov S.M., Ivanov V.S., Smetanyuk V.A., Basara В. Tracking of propagating turbulent flames and autoignition in enclosure // In: Proc. XXII YUMV International Automotive Conference with Exhibition "Science and Motor Vehicles", Belgrade, 2009. P. 1-9.

69. Иванов B.C., Фролов С.М. Математическое моделирование распространения пламени в гладких трубах и трубах с регулярными препятствиями // Пожаровзрывобезопасность. 2010. Том 19. № 1. С. 14-19.

70. Frolov S.M., Ivanov V.S. Combined Flame Tracking Particle method for numerical simulation of deflagration-to-detonation transition // In: Deflagrative and Detonative Combustion. Eds.: G. Roy, S. Frolov. Moscow: Torus Press, 2010. P. 133-156.

71. Иванов B.C., Басевич В.Я., Фролов С.М. Модель горения газов с выделением фронта пламени // В сб. XIV Симпозиум по горению и взрыву. Тезисы докладов. Черноголовка, Из-во ИПХФ РАН. 2008. С. 73.

72. Беляев А.А., Басевич В.Я., Фролов Ф.С., Фролов С.М., Басара Б., Суффа М. База данных для характеристик ламинарного горения н-гептана // Горение и взрыв. Под ред. С.М. Фролова. М.: Торус Пресс, Вып. 3, 2010, С. 30-37.

73. Басевич В .Я., Беляев А.А., Фролов С.М. «Глобальные» кинетические механизмы ламинарных пламен для моделирования турбулентных реагирующих течений. 4.1.Основной химический процесс тепловыделения // Химическая физика. 1998. Т. 17. №9. С. 112-128.

74. Басевич В.Я., Беляев А.А., Фролов С.М. «Глобальные» кинетические механизмы ламинарных пламен для моделирования турбулентных реагирующих течений. 4.2. Образование окиси азота// Химическая физика. 1998. Т. 17. №10. С. 71-79.

75. Басевич В.Я., Беляев А.А., Фролов С.М. «Глобальные» кинетические механизмы для расчета турбулентных реагирующих течений. ЧЛП. Промотирование горения // Химическая физика. 1999. Т. 18. №4. С. 67-74.

76. Евлампиев А.В., Фролов С.М., Басевич В.Я., Беляев А.А. «Глобальные» кинетические механизмы для моделирования турбулентных реагирующих течений. Часть IV: Диффузионное горение // Химическая физика. 2001. Т. 20, №11. С. 21-27.

77. Basevich V.Ya., Frolov S.M. Global Kinetic Mechanisms Developed for Modeling Multistage Autoignition of Hydrocarbons in Reactive Flows // Russian Journal of Chemical Physics. 2006. Vol. 25. №6. P. 54-62.

78. Басевич В.Я., Фролов С.М. Кинетика «голубых» пламен при газофазном окислении и горении углеводородов и их производных // Успехи химии. 2007. Т. 76, № 9. С. 927-944.

79. Bachmaier F., Eberius К.Н. and Just Т., The Formation of Nitric Oxide and the Detection of HCN in Premixed Hydrocarbon-Air Flames at 1 Atmosphere // Combust. Sci. Technol. 1973. Vol. 7. P. 77-84.

80. Kerampran S., Desbordes D., Veyssiere В. Influence of the pressure waves generated at the initial stage of flame propagation on the DDT process in smooth tubes // Confined detonations and pulse detonation engines, Moscow: Torus Press, 2003. P. 3-16.

81. Ciccarelli G., C. Fowler C.J. and Bardon M. Effects of obstacle size and spacing on the initial stage of flame acceleration in an obstacle laden tube. // 19th ICDERS, 2003.

82. Frolov S.M. Liquid-fueled air-breathing pulse detonation engine demonstrator. Operation principles and Performance // J. Propulsion and Power. 2006. №6. P. 1162.

83. Frolov S.M. Fast deflagration-to-detonation transition // Russian Journal of Physical Chemistry. 2008. Vol. 2. №3 P. 442-455.

84. Фролов C.M., Аксенов B.C. Инициирование газовой детонации в трубе с профилированным препятствием // Доклады академии наук. 2009. Т. 427, №3. С. 344-347.

85. Kailasanath К. On the performance of pulse detonation engines // In: Confined Detonations and Pusle Detonation Engines. Eds.: G. Roy, S. Frolov, R. Santoro, and S. Tsyganov. Moscow: Torus Press, 2003. P. 191-202.

86. Kailasanath K. On the performance of pulse detonation engines // In: Advances in Confined Detonations. Eds.: G. Roy, S. Frolov, R. Santoro, and S. Tsyganov. M.: Torus Press, 2002. P. 207-212.

87. Zel'dovich Я.Б. Теория детонации. M.: Гостеориздат, 1955.

88. Huzayyin A.S., Moneib H.A., Shehatta M.S., Attia A.M.A. Laminar burning velocity and explosion index of LPG air and propane - air mixtures // Fuel. 2008. Vol. 87 P. 39-57.

89. Frolov S.M. Turbulent combustion and localized preflame autoignition of hydrogen-air mixture in an enclosure // In: Teaching Materials for the Fourth European Summer School on Hydrogen Safety, Sep 7-16,2009, Corsica, France, Paper #12.

90. Иванов B.C., Фролов C.M. Математическое моделирование рабочего процесса и тяговых характеристик воздушно-реактивного импульсного детонационного двигателя в условиях сверхзвукового полета // Химическая физика. 2011 (принята в