![]() |
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИПМех РАН |
||
Целью работы является проведение фундаментальных исследований в области газодинамики горения, детонации и взрыва. Актуальность темы обусловлена возможностью использования результатов исследований при разработке двигателей и энергетических установок нового поколения, а также для оценки взрывобезопасности промышленных конструкций и сооружений. Основными направлениями исследований являются: 1. Газодинамика горения и детонации в каналах сложной формы и в камерах сгорания 2. Газодинамика горения и детонации в высокоскоростных потоках 3. Газодинамика двигателей и энергетических установок. При выполнении теоретических исследований будет проведено численное моделирование газодинамических процессов в реагирующих средах с использованием разработанных коллективом программных комплексов. Для выполнения экспериментальных исследований будет проведена модернизация имеющихся установок для применения современных аппаратно-программных средств визуализации и диагностики течений.
В рамках детального кинетического механизма химического взаимодействия численно исследовано детонационное горение стехиометрической водородно-воздушной смеси, поступающей в плоские каналы различной формы со сверхзвуковой скоростью, существенно превышающей скорость распространения самоподдерживающейся детонации. Установлена возможность стабилизации ячеистой детонационной волны при помощи слабого дополнительного подвода энергии, а также без подвода энергии за счет профилирования стенок сопла. Изучена тонкая структура детонационной волны, стабилизированной перед препятствием. Разработан оригинальный программный комплекс для моделирования на ЭВМ с параллельной архитектурой одномерных, двумерных (плоских и осесимметричных) и трехмерных течений многокомпонентных инертных и реагирующих газовых смесей в открытом пространстве, в камерах и каналах со сложной геометрией. Уникальность комплекса определяется реализацией сложной модели построения расчетных сеток для трехмерных многосвязных конфигураций, а также возможностью модификации в процессе расчета быстро изменяющихся во времени расчетных сеток, соответствующих вращающимся элементам конструкции камеры сгорания. С использованием оригинального комплекса программ на суперкомпьютере «Ломоносов» проведено численное моделирование для широкого класса трехмерных нестационарных задач газовой детонации. Определены условия реализации режима галопирующей слоистой детонации для трехмерной конфигурации: канала прямо-угольного сечения с уступом цилиндрической формы. Выполнен анализ формирования детонации в потоке горючей газовой смеси в канале винтовой формы с эллиптическим сечением, в канале переменного квадратного сечения, а также в цилиндрическом канале круглого сечения, внутри которого расположен неподвижный стержень сложной винтовой формы. Изучен процесс спонтанного формирования пространственной трехмерной структуры ячеистой и спиновой детонации в каналах круглого поперечного сечения при инициировании детонации плоской ударной волной у закрытого торца канала. Проведено численное моделирование воспламенения и горения керосино-воздушной смеси при стабилизации пламени водородным воспламенителем в модельной камере сгорания. Предложена двумерная численная модель турбулентного течения в экспериментальной камере сгорания с проточным воспламенителем, основанная на осредненных уравнениях Навье-Стокса для многокомпонентного реагирующего газа и модели турбулентности Спаларта-Алвареса. Проведены экспериментальные исследования влияния размера критического сечения кольцевого сопла на его тяговые характеристики при продувках воздухом комнатной температуры и высокотемпературными продуктами сгорания стехиометрических ацетилено-воздушных смесей. Получен массив новых экспериментальных данных, позволяющих приступить к анализу и уточнению результатов измерений для формулировки практически важных предложений по регулировке тяги сопла путем изменений размера его критического сечения. На основе уравнений Навье-Стокса выполнено численное параметрическое исследование влияния различных факторов на развитие по времени начальных возмущений, вызванных запуском устройства, продуваемого воздухом, при ламинарной модели течения в тяговом устройстве с кольцевым соплом, работающем на продуктах сгорания ацетилена в воздухе. Впервые в расчетах обнаружены режимы течений, при которых стартовые возмущения, сопровождающие запуск кольцевого сопла, не затухают, а переходят в квазипериодический режим. Определены частотный Фурье спектр пульсаций давления в центре тяговой стенки дефлектора и величина тяги сопла. Проведен термодинамический анализ возможности подбора исходных составов смесей горючих газов, моделирующих равновесные продукты сгорания авиационного керосина. Выполнен газодинамический анализ и экспериментальная проверка условий воспламенения и горения газовых смесей, моделирующих керосин, в камере сгорания импульсной аэродинамической установки Института механики МГУ. Проведены работы по подготовке продувок модели тягового модуля продуктами сгорания модельного газофазного керосина. Представлены конкретные составы модельных горючих смесей, результаты расчётов, демонстрирующие соответствие компонентных составов и параметров равновесного сгорания модельных смесей и авиационного керосина.
госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию) |
# | Сроки | Название |
4 | 1 января 2014 г.-31 декабря 2014 г. | Газодинамика горения, детонации и взрыва применительно к решению фундаментальных проблем разработки двигателей нового поколения, энергетиче-ских установок и систем взрывобезопасности |
Результаты этапа: 4.1 Теоретическое исследование процессов горения и детонации в каналах сложной формы и в камерах сгорания. Продолжена доработка оригинального вычислительного комплекса для расчета многомерных нестационарных газодинамических течений с ударными и детонационными волнами в каналах и камерах сгорания сложной, в том числе изменяющейся во времени геометрической конфигурации. Проведено численное моделирование трехмерных структур газовой детонации в каналах круглого сечения, которые формируются спонтанно в силу неустойчивости при инициировании плоской одномерной ударной волной, вызванной подводом энергии у закрытого торца канала. Для каналов достаточно больших диаметров получена нерегулярная трехмерная ячеистая структура детонации. Установлено, что в канале круглого сечения достаточно малого диаметра изначально плоская волна детонации спонтанно трансформируется в волну спиновой детонации. Найдено критическое значение диаметра канала, разделяющее режимы с трехмерной ячеистой детонацией и режимы со спиновой детонацией. Проведено исследование устойчивости волны спиновой детонации к возмущениям, вносимым при ее переходе в канал большего (или меньшего) диаметра. Установлено, что спин сохраняется, если диаметр канала меньше (или, соответственно, больше) определенного критического значения. Расчеты выполнены на суперкомпьютере «Ломоносов» с числом расчетных ячеек от 0,1 до 10 миллиардов. Все расчеты ячеистой и спиновой детонации проводились для трехмерного канала большой длины (до 1 метра) целиком, а не только в его части, содержащей детонационную волну, что позволило корректно смоделировать и изучить особенности трансформации структуры детонации в процессе ее распространения. 4.2. Теоретическое исследование процессов горения и детонации в высокоско-ростных потоках. В рамках детальной кинетики химического взаимодействия численно исследована возможность стабилизации детонационной волны в стехиометрической водородно-воздушной смеси, поступающей в плоский канал со сверхзвуковой скоростью, существенно превышающей скорость распространения самоподдерживающейся детонации. Определены геометрические характеристики плоского канала с сужением, обеспечивающие стабилизацию волны детонации. Для некоторых значений числа Маха входящего потока предложен способ построения формы плоского канала, в котором без затрат энергии происходит инициирование и стабилизация детонационного горения. Для определения формы канала подробно исследовано течение со стабилизированной отошедшей детонационной волной, формирующееся при обтекании данным сверхзвуковым потоком симметричного плоского препятствия. 4.3. Теоретико-экспериментальное исследование тягового модуля авиационного двигателя оригинальной компактной конструкции. Продолжено экспериментальное исследование модели тягового модуля авиационного двигателя оригинальной компактной конструкции, состоящего из кольцевого щелевого сопла и резонаторной полости полусферической формы, в которой обеспечивается формирование авторегулируемого газового центрального тела. В экспериментах исследовано влияние размера критического сечения кольцевого сопла на его тяговые характеристики при продувке воздухом комнатной температуры и высокотемпературными продуктами сгорания стехиометрических ацетилено-воздушных смесей. Для давлений торможения не превышающих 20 атм получены новые экспериментальные данные, необходимые для тестирования и верификации нестационарных моделей расчета течений в подобных устройствах со сложной геометрией проточных каналов: абсолютные значения величин сигналов давлений в проточном канале и силы тяги; временные зависимости указанных сигналов; измерены времена запуска сопла и квазистационарного истечения газа в ресивер. Подтверждена корректность оригинальной методики измерений тяги кольцевого сопла с внутренней полостью в импульсной аэродинамической установке за времена порядка 10 мс. Установлена верхняя частотная граница на скорость изменения давления торможения 0,14 –0,19 кГц, до которой используемая в данных опытах методика измерений тяги дает достоверные результаты. На основе уравнений Навье-Стокса проведено численное параметрическое исследование влияния различных факторов на развитие по времени начальных возмущений, вызванных запуском устройства, продуваемого воздухом, при ламинарной модели течения. В расчетах варьировались как параметры численной схемы, так и определяющие условия задачи. В результате впервые в расчетах обнаружены режимы течений, при которых стартовые возмущения, сопровождающие запуск кольцевого сопла, не затухают, а переходят в квазипериодический режим. Определены частотный Фурье спектр пульсаций давления в центре тяговой стенки дефлектора и величина тяги сопла. Представлены типичные пульсирующие сигналы давления, полученные в расчетной модели и зарегистрированные в экспериментах. Последние проводились в импульсном аэродинамическом стенде с использованием в качестве рабочего газа воздуха и продуктов сгорания стехиометрической ацетилено-воздушной смеси. 4.4. Термо- и газодинамический анализ условий воспламенения газовых смесей. Проведен термодинамический анализ возможности подбора исходных составов смесей горючих газов, моделирующих равновесные продукты сгорания авиационного керосина. Выполнен газодинамический анализ и экспериментальная проверка условий воспламенения и горения газовых смесей, моделирующих керосин, в камере сгорания импульсной аэродинамической установки Института механики МГУ. Проведены работы по подготовке продувок модели тягового модуля продуктами сгорания модельного газофазного керосина. Представлены конкретные составы модельных горючих смесей, результаты расчётов, демонстрирующие соответствие компонентных составов и параметров равновесного сгорания модельных смесей и авиационного керосина. Дается описание экспериментальной установки, методик измерений и предварительных результатов опытов по изучению условий воспламенения и горения горючих газовых смесей, моделирующих по параметрам и составам продуктов их сгорания параметры и составы продуктов сгорания авиационного керосина в газовой фазе. Разработан и испытан макетный вариант емкостного блока инициирования воспламенения горючих газовых смесей на современной транзисторной и тиристорной элементной базе с возможностью изменения энерговклада в пределах от 100 мДж до 10 Дж за времена порядка 2 – 8 мкс с коммутацией разряда накопительных емкостей через игнитронный разрядник. Высоковольтный выпрямитель блока инициирования воспламенения собран в отдельном корпусе и представлен в виде инженерного опытного образца. | ||
5 | 1 января 2015 г.-31 декабря 2015 г. | Газодинамика горения, детонации и взрыва применительно к решению фундаментальных проблем разработки двигателей нового поколения, энергетиче-ских установок и систем взрывобезопасности |
Результаты этапа: 1. Газовая детонация в высокоскоростных потоках. (Зав. лаб. Левин В.А., в.н.с. Журавская Т.А.) В рамках детального кинетического механизма химического взаимодействия численно исследовано формирование детонационной волны в стехиометрической водородно-воздушной смеси, поступающей со сверхзвуковой скоростью в плоский канал. Предложен способ стабилизации детонационной волны без дополнительного подвода энергии в канале специальной формы, одна из стенок которого имеет вид затупленного препятствия заранее заданной формы, а форма другой определяется как линия тока при стационарном обтекании данного препятствия. Установлено, что несмотря на развитие поперечных колебаний в канале, обусловленных ячеистой структурой детонации, при определенных условиях положение детонационной волны остается устойчивым по отношению даже к нелинейным возмущениям конечной амплитуды. Определены условия срыва стабилизации детонационной волны, показана возможность перемещения положения стабилизированной волны детонации вниз по потоку в рассматриваемом канале при увеличении числа Маха входящего потока. Результаты опубликованы в журнале Известия РАН. Механика жидкости и газа, 2015, (2): 117–128 и представлены на конференциях 30th International Symposium on Shock Waves. July 19–24, 2015, Tel Aviv, Israel и 25th International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems. August 2 – 7, 2015, Leeds, UK. 2. Газовая детонация в каналах сложной формы и в камерах сгорания. (Зав. лаб. Левин В.А., с.н.с. Мануйлович И.С., в.н.с. Марков В.В.) С использованием оригинального комплекса программ на суперкомпьютере «Ломоносов» проведено численное моделирование для широкого класса задач трехмерных нестационарных задач газовой детонации. Определены условия реализации режима галопирующей слоистой детонации для трехмерной конфигурации: канала прямо-угольного сечения с уступом цилиндрической формы. Выполнен анализ формирования детонации в потоке горючей газовой смеси в канале винтовой формы с эллиптическим сечением, в канале переменного квадратного сечения, а также в цилиндрическом канале круглого сечения, внутри которого расположен неподвижный стержень сложной винтовой формы. Изучен процесс спонтанного формирования пространственной трехмерной структуры ячеистой и спиновой детонации в каналах круглого поперечного сечения при инициировании детонации плоской ударной волной у закрытого торца канала. Результаты опубликованы в журналах Физика горения и взрыва, 2015, 51(1): 47–56, Доклады академии наук, 2015, 460(1): 35–38 и 460(6): 656–659, а также представлены на международной конференции 30th In-ternational Symposium on Shock Waves. July 19–24, 2015, Tel Aviv, Israel и 25th International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems. August 2 – 7, 2015, Leeds, UK. 3. Теоретико-экспериментальное исследование модели тягового модуля ори-гинальной компактной конструкции. (В.н.с. Хмелевский А.Н.) Выполнены эксперименты по продувке осесимметричной кольцевого сопла с условным диаметром выхлопа 70 мм воздухом комнатной температуры при значении критического сечения кольцевого сопла 2.1 мм и высокотемпературными продуктами сгорания ацетилено-воздушных смесей при значении критического сечения кольцевого сопла 0.8 мм. Получены новые экспериментальные данные по временным зависимостям величин силы тяги и давления в характерных точках проточного канала, необходимые для верификации расчетных моделей, и дающие возможность оценить влияние изменения величины горловины сопла на тяговые характеристики соплового устройства. Экспериментально обнаружены и исследованы незатухающие квазипериодические режимы течений воздуха, сопровождаемые пульсациями давления на поверхности тяговой стенки кольцевого сопла с внутренним дефлектором в виде сферического сегмента. Установлено, что амплитуды колебаний давления существенно возрастают с увеличением температуры торможения вдуваемого воздуха. Измерена частота пульсаций. (Зав. лаб. Левин В.А., с.н.с. Мануйлович И.С., в.н.с. Марков В.В.) На основе уравнений Эйлера проведено численное моделирование истечения воздуха из кольцевого сопла с диаметром 70 мм и величиной критического сечения 4.4 мм. Исследовано формирующееся течение для различных значений температуры торможения, давления торможения и давления воздуха в пространстве истечения. Выявлены различные режимы течения, включая режим стационарного истечения, режим истечения с экспоненциальным затуханием периодических колебаний и режим с колебаниями постоянной амплитуды. Определена частота колебаний, получены нестационарные поля параметров потока и зависимости от времени характеристик тягового модуля в центре тяговой стенки. (В.н.с. Громов В.Г., с.н.с. Афонина Н.Е.) Предложена численная модель нестационарного ламинарного течения в тяговом устройстве с кольцевым соплом, работающем на продуктах сгорания ацетилена в воздухе. На основе разработанной модели проведено исследование развития в устройстве стартовых возмущений для условий проведения экспериментов на импульсном аэро-динамическом стенде Института механики МГУ. Аналогично экспериментам в расчетах получен переход стартового возмущения в квазипериодический колебательный режим течения с параметрами, близкими к зафиксированным в экспериментах. 4. Термо- и газодинамический анализ условий воспламенения газовых смесей. (В.н.с. Хмелевский А.Н., в.н.с. Смехов Г.Д.) Экспериментально исследованы условия воспламенения и горения метановоздушных смесей с добавками водорода, ацетилена и бутана. Определены нижние концентрационные пределы воспламенения и времена сгорания смесей в сферической камере с инициированием воспламенения взрывом проволочки в центре. Проведен анализ полученных значений концентрационных пределов воспламенения с использованием правила А. Ле Шателье. По результатам измерений получены величины нормальной скорости распространения пламени в околокритических по концентрациям компонентов режимах. |
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".