РФФИ 16-29-01092 офи_м: Исследование детонации, взрыва и кумулятивных эффектов в газообразных энергетических системах применительно к новым высокоэффективным техническим устройствамНИР

Investigation of detonation, explosion and cumulation effects in gaseous reactive systems in the application to new high effective technical facilities

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 июня 2016 г.-31 декабря 2016 г. Исследование детонации, взрыва и кумулятивных эффектов в газообразных энергетических системах применительно к новым высокоэффективным техническим устройствам. Этап 2016-2017 (начало).
Результаты этапа: Результаты этапа: Отчетный период по этапу 2016 - 2017 гранта РФФИ 601_офи-м заканчивается 30 июня 2017 г. Научный отчет будет сформирован к 20 июня 2017 г.
2 1 января 2017 г.-30 июня 2017 г. Исследование детонации, взрыва и кумулятивных эффектов в газообразных энергетических системах применительно к новым высокоэффективным техническим устройствам. Этап 2016-2017 (окончание).
Результаты этапа: Отчетный период – первый год выполнения проекта (июль 2016 – июнь 2017) 1. (Левин В.А., Журавская Т.А.) С использованием детального кинетического механизма химического взаимодействия (Старик А.М. и др. 2010), численно исследовано детонационное горение стехиометрической водородно-воздушной смеси, поступающей со сверхзвуковой скоростью в плоский симметричный канал с сужением (пережатием). Определены условия, обеспечивающие формирование в канале создающего тягу течения со стабилизированной детонационной волной, предложены способы управления ее положением в потоке. 2. (Левин В.А., Мануйлович И.С., Марков В.В.) Проведена подготовка и настройка программного комплекса для численного моделирования трехмерного течения реагирующей газовой смеси в прямоточной камере сгорания оригинальной конструкции с лопатками. Построена трехмерная модель геометрии расчетной области, проведены расчеты при различных геометрических параметрах модели и при различных скоростях набегающего потока горючей смеси. Получены критические параметры, разделяющие различные режимы детонации. 3. (Левин В.А., Мануйлович И.С., Марков В.В.) Выполнено численное моделирование развития детонации в двумерной камере сгорания роторного двигателя новой конструкции. Построена двумерная модель устройства с периодической подачей горючей смеси. Проведены расчеты с реализацией непрерывной работы устройства. 4. (Левин В.А., Мануйлович И.С., Марков В.В.) Проведена подготовка и настройка программного комплекса для численного моделирования трехмерного течения в новой оригинальной камере сгорания с сопловым устройством, предполагающей реализацию вращающейся детонации в зазоре между двумя параллельными пластинами, перпендикулярными вектору тяги. Построена трехмерная модель геометрии расчетной области и проведены расчеты течений с вращающейся детонацией на суперкомпьютере «Ломоносов». Для достижения устойчивого вращения подобраны величины диаметра и ширины кольцевого сопла, а также параметры инициатора детонации. 5. (Левин В.А., Aфонинa Н.Е., Громов В.Г., Мануйлович И.С., Марков В.В., Смехов Г.Д., Хмелевский А.Н.) Выполнены расчетно-экспериментальные исследования пульсирующих режимов течения газа в компактных кольцевых и линейных двух щелевых соплах с внутренней полостью – дефлектором. Установлены зависимости частот и амплитуд колебаний параметров течения в кольцевом и эквивалентном по расходу газа линейном двух щелевом соплах от определяющих параметров (давления на входе и выходе из сопел, размеров критического сечения, диаметра кольцевого сопла). 6.1 (Георгиевский П.Ю., Левин В.А.) Проведено численное моделирование столкновения движущихся со сверхзвуковой скоростью тел с газовыми пузырями пониженной и повышенной плотности при различных числах Маха; обнаружен эффект внезапного скачкообразного увеличения давления и плотности в критической точке тела; установлено, что эффект объясняется воздействием тонких кумулятивных струй, формирующихся при фокусировке поперечных ударных волн на оси симметрии в результате перестройки течения при взаимодействии головной ударной волны с газовым пузырем 6.2 (Левин В.А., Сутырин О.Г.) Выполнено численное моделирование взаимодействия ударной волны с цилиндрическим облаком кварцевой пыли небольшой концентрации в рамках модели равновесной пылегазовой смеси; исследовано преломление падающей волны, а также эффекты формирования и фокусировки поперечных ударных волн; обнаружены два качественно различных режима фокусировки, реализующиеся при различных значениях концентрации пыли; определена зависимость положения точки фокусировки и относительной интенсивности фокусировки волн от объемной концентрации пыли. 7. (Смехов Г.Д., Хмелевский А.Н.) Выполнено расчетно-экспериментальное исследование пределов воспламенения и условий горения метановоздушных смесей с добавками водорода, ацетилена и бутана. Экспериментально определены нижние концентрационные пределы распространения пламени в горючих смесях метан-воздух, ацетилен-воздух, водород-воздух и бутан-воздух. Для проведения расчётов по определению условий воспламенения и горения метановоздушных смесей создана программа, позволяющая определять времена задержки воспламенения (времена индукции) смеси с заданным составом при мгновенном нагреве смеси от начального значения температуры до заданного конечного.
3 1 июля 2017 г.-31 декабря 2017 г. Исследование детонации, взрыва и кумулятивных эффектов в газообразных энергетических системах применительно к новым высокоэффективным техническим устройствам. Этап 2017-2018 (начало).
Результаты этапа: Результаты этапа: Отчетный период по этапу 2017 - 2018 гранта РФФИ 601_офи-м заканчивается 30 сентября 2018 г. Научный отчет будет сформирован к 15 сентября 2018 г.
4 1 января 2018 г.-30 сентября 2018 г. Исследование детонации, взрыва и кумулятивных эффектов в газообразных энергетических системах применительно к новым высокоэффективным техническим устройствам. Этап 2017-2018 (окончание).
Результаты этапа: Отчетный период – второй год выполнения проекта (июль 2017 – август 2018) 1. (Левин В.А., Журавская Т.А.) Установлена возможность стабилизации детонации в сверхзвуковом потоке горючей газовой смеси в симметричном плоском канале с пережатием за счет управления скоростью детонационной волны при помощи добавки в горючую смесь мелких инертных частиц. Кроме того, показано, что изменение концентрации частиц в горючей газовой смеси позволяет управлять положением детонационной волны в канале с целью повышения тяги всего проточного тракта в целом. 2. (Левин В.А., Мануйлович И.С., Марков В.В.) Продолжено численное моделирование развития детонации в двумерной камере роторного двигателя внутреннего сгорания (РДВС) новой конструкции. Проведена серия расчетов с целью оптимизации работы РДВС в детонационном режиме. Рассмотрены роторы с различным числом лопаток – от 5 до 12 для различных значений расхода подаваемой в камеру сгорания горючей смеси. Обнаружены режимы без детонации, а также детонационные режимы с устойчивой непрерывной работой РДВС. 3. (Левин В.А., Мануйлович И.С., Марков В.В.) Выполнено численное моделирование газовой детонации в прямоточной камере сгорания оригинальной конструкции с установленным внутри ротором специального типа с лопатками. Проведены расчеты для трехмерных конфигураций для случаев неподвижного ротора и принудительного равномерного вращения ротора. Для заданной скорости набегающего потока найдено критическое значение скорости вращения, при котором детонационная волна выходит из канала через входное сечение. 4. (Левин В.А., Мануйлович И.С., Марков В.В.) Выполнено численное моделирование трехмерных течений с вращающейся детонацией в оригинальном осесимметричном устройстве, состоящем из двух параллельных круглых пластин, ортогональных к оси симметрии и осесимметричного сопла. Горючая газовая смесь поступала в зазор между пластинами через внешнюю цилиндрическую поверхность. Вращающаяся детонация инициировалась в зазоре одним или двумя симметрично расположенными саморазрушающимися инициаторами, конструкция которых позволяла выбирать направление вращения. В численных расчетах были реализованы течения с одной или двумя одновременно вращающимися детонационными волнами. Определена тяга сопла для различных режимов работы устройства. 5. (Левин В.А., Aфонинa Н.Е., Громов В.Г., Смехов Г.Д., Хмелевский А.Н.) Выполнен очередной этап исследований квазистационарных и пульсирующих режимов течения газа в оригинальном осесимметричном тяговом устройстве – компактном кольцевом сопле с полостью специального вида (дефлектором). Проведено комплексное расчетно-экспериментальное исследование спектра сигналов пульсаций давления газа в центре тяговой стенки дефлектора в режимах ламинарного течения газа. Для базовой по геометрическим размерам конфигурации кольцевого сопла установлена доминирующая частота спектра. 6.1 (Георгиевский П.Ю., Левин В.А.) Выполнено численное исследование сверхзвукового обтекания затупленных тел при наличии сосредоточенного высокоэнергетического воздействия, локализованного в малых областях эллипсоидальной формы, расположенных в набегающем потоке. Сформулирован физический критерий подобия, обеспечивающий формирование примерно одинаковых передних отрывных зон при различных числах Маха набегающего потока, удлинении и размерах области энерговклада, а также подводимой мощности. Показано, что коэффициент эффективности снижения сопротивления (отношение сэкономленной и затраченной мощностей) пропорционален числу Маха набегающего потока в квадрате и отношению площадей миделевых сечений тела и области энерговклада. 6.2 (Левин В.А., Сутырин О.Г.) Выполнено численное моделирование взаимодействия ударных волн различной интенсивности с цилиндрическими и сферическими пузырями, заполненными тяжелыми газами. Проведено исследование рефракции и дифракции падающей ударной волны на области неоднородности, а также анализ быстропротекающих газодинамических процессов формирования и фокусировки на оси симметрии поперечных ударных волн. Определена зависимость пиковых значений давления и температуры при фокусировке поперечных ударных волн от интенсивности падающей ударной волны и начальной плотности тяжелого газа внутри пузырей. 7. (Смехов Г.Д., Афонина Н.Е., Хмелевский А.Н.) Продолжено экспериментально-расчетное исследование пределов воспламенения и различных характеристик горения метановоздушных смесей с добавками водорода, ацетилена и бутана. Установлено, что смесь метана с ацетиленом моделирует по равновесным продуктам сгорания авиационный керосин, а углеводородные добавки к метану позволяют заметно интенсифицировать процесс горения. Для различных составов горючих смесей (метан-кислород-азот) определены интервалы температур, для которых реализуется режим быстрого окисления метана благодаря механизму цепного разветвления активных радикалов.
5 1 октября 2018 г.-31 декабря 2018 г. Исследование детонации, взрыва и кумулятивных эффектов в газообразных энергетических системах применительно к новым высокоэффективным техническим устройствам. Этап 2018-2019 (начало).
Результаты этапа: Результаты этапа: Отчетный период по этапу 2018 - 2019 гранта РФФИ 601_офи-м заканчивается 30 ноября 2019 г. Научный отчет будет сформирован к 15 ноября 2019 г.
6 1 января 2019 г.-30 ноября 2019 г. Исследование детонации, взрыва и кумулятивных эффектов в газообразных энергетических системах применительно к новым высокоэффективным техническим устройствам. Этап 2018-2019 (окончание)
Результаты этапа: В соответствии с требованием РФФИ в итоговом отчете приведены результаты за весь период выполнения проекта с 2016 по 2019 годы. 1. Выполнено численное исследование детонационного горения стехиометрической водородно-воздушной смеси в плоском конвергентно-дивергентном канале для сверхзвуковых условий на входе. Предложены способы стабилизации детонационной волны в канале, а также – управления ее положением для максимизации тяги, рассчитанной по всему каналу в целом (включая его сужающуюся секцию). Благодаря специальной форме канала обеспечивается формирование течения с косыми ударными волнами в сужающейся секции канала и стабилизированной волной детонации в его расширяющейся секции. Изучено влияние изменения числа Маха потока на входе в канал и размера выходного сечения канала на положение стабилизированной в потоке детонационной волны. Показана устойчивость детонационной волны, расположенной в расширяющейся секции канала, при воздействии двумерных возмущений конечной интенсивности. Предложены способы управления положением детонационной волны за счет оптимизации формы канала, позволяющие увеличить тягу. Установлена возможность стабилизации детонационного горения в сверхзвуковом потоке стехиометрической водородно-воздушной смеси при помощи добавки в смесь мелких инертных частиц. Кроме того, изменение концентрации частиц в горючей смеси позволяет управлять положением детонационной волны в расширяющейся секции канала с целью повышения тяги. Полученные новые результаты по стабилизации детонационного горения в сверхзвуковых проточных каналах могут быть использованы при проектировании прямоточных двигателей с детонационным горением для высокоскоростных летательных аппаратов различного назначения. 2. Выполнено численное исследование детонационного горения в двухмерной камере сгорания с вращающимся ротором и в трехмерной прямоточной камере сгорания с неподвижным ротором. Для двумерной задачи построена модель устройства с учетом периодической подачи горючей смеси как через границу двумерной области, так и напрямую внутрь нее – через границы вдоль третьей координаты. Установлена возможность достижения устойчивой непрерывной работы устройства в детонационном режиме с вращением ротора. Для трехмерной задачи геометрическая модель получена путем параллельного переноса с одновременным поворотом двумерного сечения. Различные отношения скоростей переноса и поворота позволили получить ряд каналов с различными углами наклона лопаток. Проведена серия расчетов для неподвижного ротора при различных скоростях набегающего потока горючей смеси. Определены критическая скорость набегающего потока, необходимая для инициирования детонации при фиксированном угле наклона лопаток, и, наоборот, критический угол лопаток при заданной скорости. Установлены зависимости момента сил давления, создаваемого набегающим потоком, от угла наклона лопаток и скорости набегающего потока. Полученные новые результаты могут быть использованы при проектировании компактных двигателей внутреннего сгорания роторного типа применительно к развитию новых гибридных платформ на транспорте, а также прямоточных воздушно-реактивных двигателей с детонационным горением. 3. Выполнено численное моделирование трехмерных течений с вращающейся детонацией в оригинальном осесимметричном устройстве, состоящем из двух параллельных круглых пластин, ортогональных к оси симметрии и осесимметричного сопла. Однородная горючая пропановоздушная смесь поступала в кольцевой зазор через его внешнюю цилиндрическую поверхность в направлении к оси симметрии. Продукты детонации истекали из зазора во внешнее полупространство, ограниченное с одной стороны непроницаемой стенкой (продолжением стороны зазора) через осесимметричное сопло, создавая тягу. Вращающаяся детонация инициировалась в зазоре одним или двумя симметрично расположенными саморазрушающимися инициаторами, конструкция которых позволяла выбирать направление вращения. Проведен цикл расчетов для определения диапазонов параметров инициатора, для которых реализуется вращающаяся детонация. Обнаружен режим распространения вращающейся детонации с периодической перестройкой структуры течения. Определена тяга сопла для различных режимов работы устройства. Предложенная схема реализации непрерывной вращающейся детонации является совершенно оригинальной и существенно отличается от широко обсуждаемой в настоящее время в зарубежных и российских статьях схемы с вращающейся детонацией в зазоре между двумя коаксиальными цилиндрами. Предложенная схема может быть перспективной для реализации новых компактных воздушно-реактивных и реактивных двигателей для летательных аппаратов различного назначения. 4. Выполнены расчетно-экспериментальные исследования квазистационарных и пульсирующих режимов течения газа в оригинальном компактном осесимметричном тяговом устройстве с кольцевым соплом и полостью специального вида дефлектором. Экспериментально установлены зависимости частоты и амплитуды пульсаций силы тяги и давления газа на тяговой стенке сопла от давления на входе и выходе сопла, от размера его критического сечения, а также формы дефлектора. Расчеты выполнены на основе уравнений Навье-Стокса для многокомпонентной реагирующей газовой среды с использованием химически неравновесной термохимической модели. Проведена верификация по результатам сравнения расчетного, полученного методом дискретного преобразования Фурье, и измеренного спектра пульсаций давления газа на тяговой стенке кольцевого сопла. Для базовой по геометрическим размерам конфигурации кольцевого сопла экспериментально установлена основная доминирующая частота спектра с одним сателлитом на двукратной частоте. Показано, что управление основной доминирующей частотой пульсаций силы тяги и давления может осуществляться за счет пропорционального увеличения масштаба сопла, размера критического сечения, а также высоты дефлектора, практически независимо от противодавления в пространстве истечения. Диапазон максимальных изменений сигналов силы тяги в пульсациях не превышал 10 % от величины среднего значения силы тяги. Полученные результаты расчетно-экспериментальных исследований могут быть использованы при проектировании реактивных двигателей для малогабаритных высокоскоростных летательных аппаратов с компактными выходными сопловыми устройствами на базе кольцевых сопел с внутренним дефлектором. 5. Выполнено численное исследование взаимодействия обтекаемых сверхзвуковым потоком затупленных тел с локализованными в набегающем потоке газовыми пузырями эллипсоидальной формы пониженной и повышенной плотности. Обнаружено возникновение аномальных (в десятки раз превышающих значения, рассчитанные из решения одномерных задач Римана) всплесков давления в критической точке тела. Показано, что всплески давления являются результатом воздействия кумулятивных струй, формирующихся в ударном слое перед телом при фокусировке ударных волн на оси симметрии течения. Для газовых пузырей повышенной плотности отмечен эффект возникновения «газодинамического пробойника» в результате прорыва в ударный слой через деформированную головную ударную волну порции высоконапорного газа. Для реализации эффектов фокусировки и кумуляции, как в случае пузырей пониженной плотности, так и повышенной, существенным фактором является значительная разница плотностей внутри пузыря и в набегающем потоке (отмеченные эффекты зафиксированы при трехкратной разнице). Кроме того установлено, что размеры пузыря должны быть порядка расстояния отхода головной ударной волны на центральной линии тока, а его форма – близка к сферической. Отмеченный эффект возникновения аномальных всплесков давления в критической точке тела при столкновении с газовыми пузырями пониженной и повышенной плотности может быть использован при разработке новых методов воздействия на различные тела, движущиеся в атмосфере со сверхзвуковыми скоростями. 6. Выполнено численное исследование эффектов инициирования детонации при взаимодействии ударной волны с реагирующим эллипсоидальным пузырем газа в воздухе в двумерной плоской постановке. Реагирующий газовый пузырь заполнен пропановоздушной смесью с добавками ксенона (отношение плотностей для газов внутри и вне пузыря составляло 3:1). Зафиксировано три качественно различных режима инициирования детонации: при проникновении падающей ударной волны внутрь пузыря (вблизи его передней границы); при преломлении огибающей пузырь падающей ударной волны (в тройной конфигурации на периферии газового пузыря); и при фокусировке огибающей ударной волны и проходящей по пузырю ударной волны в малом объеме вблизи задней границы пузыря. Определены условия инициирования детонации для каждого из режимов в зависимости от числа Маха падающей ударной волны и удлинения пузыря. В проведенных расчетах для выбранного состава газа в пузыре показано, что за счет эффектов фокусировки число Маха падающей ударной волны, достаточное для инициирования детонации, может быть снижено примерно на 35% по сравнению с критическим числом Маха для прямого инициирования. Полученные новые результаты могут быть использованы для стимулирования детонации в газовых смесях. 7. Выполнено экспериментально-расчетное исследование пределов воспламенения и различных характеристик горения метановоздушных смесей с добавками водорода, ацетилена и бутана. В экспериментах проведена регистрация сигналов с датчиков, контролирующих давление газа в различных точках на стенке сферической камеры сгорания при распространении пламени из центра в бинарных и трехкомпонентных смесях на основе метана в воздухе. Собран массив экспериментальных данных для их дальнейшей обработки, анализа и получения абсолютных значений максимальных давлений в продуктах сгорания в условиях постоянного объема, а также определения средних и нормальных скоростей распространения пламени в режимах близких к предельным по концентрациям горючих компонентов. Установлено, что смесь метана с ацетиленом моделирует по равновесным продуктам сгорания авиационный керосин. Показано, что исследованные углеводородные добавки к метану позволяют заметно интенсифицировать процесс горения. В расчетах для различных составов горючих смесей (метан-кислород-азот) определены интервалы температур, для которых реализуется режим быстрого окисления метана благодаря механизму цепного разветвления активных радикалов. Результаты могут быть использованы для реализации эффективного сжигания экологичного топлива – криогенного сжиженного природного газа в перспективных авиационных и ракетных двигателях.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".