ИСТИНА

В рамках данного проекта предполагается моделирование комплексной задачи: течение горючего в пористых стенках, его испарение на стенке и попадание в реагирующий поток внутри камеры сгорания. В процессе выполнения проекта будут разработаны математические модели, вычислительные алгоритмы и программные пакеты для прогностического моделирования процессов в канале камеры сгорания с пористой стенкой, с учетом моделирования капиллярной фильтрации, теплообмена, фазовых переходов и экзотермических реакций внутри пористой стенки. Будет проведена серия натурных экспериментов по вытеснению жидкого флюида из пористой среды и численное моделирование данного процесса для тестирования программного блока фильтрации. Тестирование полной системы будет проводится путем сравнения с экспериментальными и вычислительными работами других авторов. Будет проведено исследование влияния охлаждения. Исследования, планируемые в рамках данного проекта, обеспечат теоретическую основу и техническую поддержку для технологического обновления конструкции охлаждающих стенок двигательных установок. Кроме того будет разработан программный пакет, позволяющий моделировать процессы происходящие в камере сгорания для ракетных двигателей нового поколения.

This project involves modeling a complex problem: the flow of fuel in porous walls, its evaporation on the wall and entry into the reacting flow. During the implementation of the project, mathematical models, computational algorithms and software packages will be developed for predictive modeling of processes in a channel with a porous wall, taking into account the modeling of capillary filtration, heat transfer, phase transitions and exothermic reactions inside the porous wall. A series of full-scale experiments will be carried out to displace liquid fluid from a porous medium and numerical modeling of this process will be carried out to test the filtration software unit. Testing of the complete system will be carried out by comparison with experimental and computational work of other authors. A study will be conducted on the effect of cooling. The research planned under this project will provide the theoretical basis and technical support for the technological upgrade of propulsion system cooling walls. In addition, a software package will be developed to simulate the processes occurring in the combustion chamber for new generation rocket engines.

1) Ожидаемые результаты: - Будут разработаны математические модели для описания процесса фильтрации под действием капиллярных сил и перепада давления, с учётом дополнительных факторов, связанных с неустойчивостью вытеснения, а также с учетом теплообмена, фазовых переходов и экзотермических реакций. - Будут получены аналитические решения уравнений математической модели для одномерного случая для дальнейшей верификации программного кода. - Будет разработан и протестирован программный код для моделирования процесса фильтрации под действием капиллярных сил и перепада давления, с учётом дополнительных факторов, связанных с неустойчивостью вытеснения, а также с учетом теплообмена, фазовых переходов и экзотермических реакций. - Будет составлен сокращенный кинетический механизм для разрешения процессов горения топливной смеси углеводородных горючих с воздухом. - Будет проведено тестирование работы сокращенного кинетического механизма с расширенным по определяющим параметрам. - Будут проведены тестовые исследования для подтверждения достоверности предположений и предложенных моделей фильтрационных течений, фазовых переходов и химических превращений. - Будет проведена проверка того, что дополнения, внесенные в математические модели, не приводят к катастрофическому возрастанию необходимых для расчётов вычислительных мощностей и времени вычислений. - Будет проведена настройка определяющих параметров моделей. Будет создана многопроцессорная версия программы. - Будет проведена серия лабораторных экспериментов по просачиванию жидкости сквозь пористую среду. - Будет проведена серия численных экспериментов по течению жидкости сквозь пористую среду - Будет проведен ряд численных экспериментов для задач испарения и горения на поверхности. - Будет проведено сравнение полученных результатов вычислительного моделирования с данными лабораторных экспериментов. - Будет определен фактор влияния скорости просачивания сквозь пористую среду на дальнейшие реакции на поверхности пористой стенки (испарение, химические взаимодействия). - Будет определен оптимальный режим подачи топлива (торцевая система инжекторов, закачка в пористые стенки). - Будут предоставлены рекомендации по параметрам пористого материала для оптимального охлаждения канала с пористой стенкой. - Будут предоставлены рекомендации по компоновке и расположению пористых вставок в канале.

– Проведены эксперименты по вытеснению модели углеводородов из образцов неокомских песчаников с помощью установки ПЛАСТ.АТМ-10. – Показано, что при переходе из более проницаемой среды в менее проницаемую скорость границы раздела фаз возрастает. Это связано с тем, что капиллярные силы в среде с низкой проницаемостью больше. При дальнейшем течении в низкопроницаемой среде скорость впитывания уменьшается гораздо быстрее, чем в высокопроницаемой среде. – Рассмотрены эксперименты по многократной пропитке жидкости в пористой среды в условиях микрогравитации. Получены коэффициенты, показывающие, что для рассматриваемого случая порядки конвективных и нестационарных членов уравнения сохранения импульса существенно меньше порядков других членов. - Авторами проведено численное трехмерное моделирование течения в камере сгорания гибридного двигателя. Были получены первые интегралы системы, позволяющие определить скорость выгорания топлива на основе интегральных характеристик потока. В рамках исследования было показано, что симметрия камеры сгорания не гарантирует симметричности происходящих процессов. -На основе математической модели развития двумерной ячеистой детонации было показана возможность влияния малой добавки пропилена C3H6 на детонацию, вызванную мощным выделением энергии, что согласуется с экспериментальными выводами о влиянии присадки ингибитора на основе пропилена. -Для многомасштабных задач с учетом химических превращений реализована возможность решения с помощью искусственных нейронных сетей. Объединение вычислительной газодинамики и моделирование горения является сложной вычислительной задачей. Была произведена замена численного дифференцирования жесткой системы обыкновенных дифференциальных уравнений нейросетевым решением.

Усовершенствование современных двигателей, основанных на традиционных схемах, подошло к своему технологическому пределу. Основным прорывным направлением в данной области является развитие двигателей, основанных на принципиально новых схемах действия, такими, например, являются детонационные двигатели. В настоящее время существует много команд, в том числе и в России, которые активно ведут разработки по данному направлению. Несмотря на все эти работы действующего серийного образца пока нет, это объясняется некоторыми конструктивными проблемами. Другим направлением для усовершенствования современных двигателей является разработка новых конструкций с использованием старых принципов, но новым подходом к выборам материалов для конструкций. Одно из таких решений было разработано немецким аэрокосмическим центром (DLR) -разработка камер сгорания с пористыми стенками. Преимущества использования пористого материала в конструкции камеры сгорания: - Возможность производить материал с оптимальной проницаемостью для эффективного охлаждения; - Уменьшение веса конструкции; - Однородно распределенный поток охлаждающей жидкости через стенку; - Такие компоненты внутренней обшивки могут эффективно эксплуатироваться без критических повреждений материала даже при воздействии локальных пиков термохимической нагрузки. Не смотря на значительный успех при построении таких камер, исследователи столкнулись с проблемой предварительного моделирования компоновки таких камер. Данная проблема связана с большим количеством физических процессов, которые необходимо смоделировать одновременно с хорошей точностью. Также немаловажной стоит проблема подбора материала для пористой стенки. В данном проекте планируется создание программного комплекса способного с достаточной точностью разрешить две поставленные задачи (трехмерное моделирование с учетом необходимых физических процессов, учет неравновесных фазовых переходов и многостадийности химических реакций). Планируется проведение вычислительных экспериментов, подготовка рекомендаций для создания камеры сгорания с пористыми стенками с оптимальными характеристиками. Разработка нового двигателя с общими характеристиками превышающими существующие положительным образом повлияет на экономику в текущих условиях. Компактность и легкий вес таких двигателей может дать новый виток в развитии авиации и ракетостроении.