![]() |
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИПМех РАН |
||
Проект посвящен изучению особенностей течений реагирующих газовых смесей в каналах и ограниченных пространствах, связанных с их многомерным характером в реальных условиях при высокоскоростном сгорании газообразных углеводородных топлив в реактивных двигателях и энергоустановках различного назначения. Исследование проводится, в основном, методом вычислительного эксперимента с использованием оригинальных программных комплексов, разработанных для расчета одномерных, двумерных и трехмерных течений инертных и реагирующих смесей газов на персональных компьютерах и многопроцессорных вычислительных системах петафлопсного диапазона, таких, как «Ломоносов». В численных алгоритмах, основанных на схеме С.К. Годунова, реализованы уравнения для идеальных и вязких газов, а также одностадийные и многостадийные кинетики химических реакций водородных и углеводородных горючих смесей. В двумерных и трехмерных оригинальных постановках рассматривается ряд фундаментальных задач: - инициирование и стабилизация детонации в сверхзвуковых потоках горючих газовых смесей в каналах сложной формы; - детонация при вращении и изменении геометрии камер сгорания; - инициирование и распространение галопирующей слоистой детонации; - формирование ячеистой и спиновой детонации в протяженных каналах различного поперечного сечения; - реализация пульсирующей детонации за счет периодической кумуляции потока у оси симметрии камеры специальной конструкции; - сверхзвуковое горение при электрических разрядах с различной энергией и пространственно-временными характеристиками; - вращающаяся детонация в камере сгорания специальной конструкции; - течения инертных и горючих смесей в выходном устройстве реактивного двигателя с кольцевым соплом и резонаторной полостью. Эксперименты будут проводиться на уникальном экспериментальном стенде НИИ механики МГУ. В результате выполнения проекта будут получены новые фундаментальные знания о многомерной детонации, которые могут быть использованы при разработке камер сгорания эффективных энергоустановок, малогабаритных сопловых устройств, а также способов предотвращения и подавления взрывов горючих смесей газов.
1. С использованием детальной кинетики химического взаимодействия в рамках уравнений Эйлера численно исследовано формирование детонации в стехиометрической водородно-воздушной смеси, поступающей в плоский профилированный канал со сверхзвуковой скоростью; установлена возможность эффективного извлечения тяги в плоском симметричном канале с пережатием и интегрированным соплом при условии стабилизации детонационной волны. 2. С использованием оригинального комплекса программ на суперкомпьютере «Ломоносов» проведено численное моделирование для широкого класса трехмерных нестационарных задач газовой детонации в стехиометрической пропановоздушной смеси; исследована пространственная трехмерная структура ячеистой и спиновой детонации в каналах круглого поперечного сечения; определены критические условия самоинициирования детонации в сверхзвуковом потоке для плоского канала с изгибом. 3. Выполнено 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; экспериментально обнаружены и исследованы незатухающие квазипериодические режимы течений воздуха. 4. В рамках уравнений Навье-Стокса проведено численное исследование характеристик тягового устройства с кольцевым соплом при продувках воздухом и продуктами сгорания ацетилена в воздухе для ламинарных режимов течения; обнаружены режимы течений, при которых стартовые возмущения, сопровождающие запуск кольцевого сопла, не затухают, а переходят в квазипериодический режим. 5. Экспериментально и теоретически исследованы условия воспламенения и горения метано-воздушных 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.
Российский фонд фундаментальных исследований | Координатор |
грант РФФИ |
# | Сроки | Название |
1 | 1 января 2014 г.-31 декабря 2014 г. | Многомерные эффекты при детонации в сверхзвуковых потоках и ограниченных объемах горючих смесей газов. Этап 1. |
Результаты этапа: 1. Продолжена работа над созданием оригинального комплекса программ для численного моделирования в рамках уравнений Эйлера процессов детонации в газообразных смесях углеводородных топлив с окислителем. Отработана технология быстрой подготовки и запуска расчетов для трехмерных нестационарных задач, обеспечивающая равномерную загрузку процессоров на многопроцессорных кластерах (суперкомпьютерах), а также процедура визуализации результатов расчетов, представляющих собой большие массивы выходных данных. 2. С использованием оригинального комплекса программ численно исследовано формирование детонации при втекании в канал с уступом сверхзвукового потока однородной и неоднородной в радиальном направлении горючей газовой смеси. Определены условия развития режима галопирующей слоистой детонации для трехмерной конфигурации: канала прямоугольного сечения с уступом цилиндрической формы. 3. С использованием оригинального комплекса программ исследованы особенности формирования детонации в потоке горючей газовой смеси в цилиндрическом канале круглого сечения, внутри которого по центру расположен неподвижный стержень с серией из семи прикрепленных лопаток сложной пространственной формы. Определены условия реализации различных режимов детонации и режима запирания канала. 4. С использованием оригинального комплекса программ исследована пространственная трехмерная структура ячеистой и спиновой детонации в каналах круглого поперечного сечения. В расчетах зафиксировано спонтанное формирование трехмерных структур, которое происходит за счет развития неустойчивости при инициировании детонации плоской ударной волной у закрытого торца канала. Определены условия реализации ячеистой и спиновой детонации в зависимости от диаметра канала. 5. С использованием многостадийной кинетики химического взаимодействия в рамках уравнений Эйлера численно исследовано формирование детонации в стехиометрической водородно-воздушной смеси, поступающей в плоский профилированный канал со сверхзвуковой скоростью. Определены условия, обеспечивающие стабилизацию заранее сформированной детонационной волны в канале переменного сечения с сужением без затрат энергии. Для некоторых значений числа Маха потока предложен способ определения формы канала, в котором без подвода энергии происходит инициирование и стабилизация детонации. 6. 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. Подтверждена корректность оригинальной методики измерений тяги кольцевого сопла с внутренней полостью в импульсной аэродинамической установке за времена порядка 10 мс. 7. В рамках уравнений Навье-Стокса проведено численное исследование характеристик тягового устройства с кольцевым соплом при продувках воздухом для ламинарных режимов течения. 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. | ||
2 | 1 января 2015 г.-31 декабря 2015 г. | Многомерные эффекты при детонации в сверхзвуковых потоках и ограниченных объемах горючих смесей газов. Этап 2. |
Результаты этапа: 1. Газовая детонация в высокоскоростных потоках. 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. 2. Газовая детонация в каналах сложной формы и в камерах сгорания. 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. 3. Теоретико-экспериментальное исследование модели тягового модуля оригинальной компактной конструкции. 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. 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. Предложена численная модель нестационарного ламинарного течения в тяговом устройстве с кольцевым соплом, работающем на продуктах сгорания ацетилена в воз-духе. На основе разработанной модели проведено исследование развития в устройстве стартовых возмущений для условий проведения экспериментов на импульсном аэродинамическом 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. 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. | ||
3 | 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. | Многомерные эффекты при детонации в сверхзвуковых потоках и ограниченных объемах горючих смесей газов. Этап 3. |
Результаты этапа: 1. С использованием детальной кинетики химического взаимодействия в рамках уравнений Эйлера численно исследовано формирование детонации в стехиометрической водородно-воздушной смеси, поступающей в плоский профилированный канал со сверхзвуковой скоростью, превышающей скорость распространения самоподдерживающейся детонации. Предложен способ определения формы плоского канала в котором реализуется стабилизация детонационной волны, исследована структура квазистационарной детонационной волны, обнаружен эффект генерации поперечных ударных волн. Установлена возможность эффективного извлечения тяги в плоском симметричном канале с пережатием и интегрированным соплом при условии стабилизации детонационной волны. 2. С использованием оригинального комплекса программ на суперкомпьютере «Ломоносов» проведено численное моделирование для широкого класса трехмерных нестационарных задач газовой детонации в стехиометрической пропановоздушной смеси. Определены условия реализации режима галопирующей слоистой детонации для трехмерной конфигурации: канала прямоугольного 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. Исследована пространственная трехмерная структура ячеистой и спиновой детонации в каналах круглого поперечного сечения. Определены критические условия самоинициирования детонации в сверхзвуковом потоке для плоского канала с изгибом. 3. Выполнено 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. 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. 4. В рамках уравнений Навье-Стокса проведено численное исследование характеристик тягового устройства с кольцевым соплом при продувках воздухом и продуктами сгорания ацетилена в воздухе для ламинарных режимов течения. 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. 5. Экспериментально и теоретически исследованы условия воспламенения и горения метано-воздушных 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 ранее значений концентрационных пределов распространения пламени в метановоздушных смесях с добавками на основе правила А. Ле Шателье с альтернативными наборами констант. 6. Освоен вычислительный пакет ANSYS в приложении к различным задачам газовой динамики со сверхзвуковыми течениями. В рамках уравнений Эйлера и осредненных уравнений Навье-Стокса с различными моделями турбулентности решена задача о течении в осесимметричном воздухозаборнике прямоточного воздушно-реактивного двигателя при числах Маха от 2,5 до 5. |
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".