РНФ 14-11-00773: Взрывные явления в пылегазовых системах в приложении к проблемам безопасности и экологииНИР

Blast effects in dust – gas mixtures in the application to problems of safety and ecology

Соисполнители НИР

Российский Научный Фонд Координатор

Источник финансирования НИР

грант РНФ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2014 г.-31 декабря 2014 г. Взрывные явления в пылегазовых системах в приложении к проблемам безопасности и экологии. Этап 1.
Результаты этапа: 1. Проведено исследование взаимодействия ударных волн с пылевыми облаками и расчеты сверхзвукового течения однородной пылегазовой смеси в равновесном приближении. Изучалась трёхмерная задача о течении газа в области с подводом энергии. Исследовался процесс формирования детонации в сверхзвуковом потоке неоднородной горючей смеси с переменной по ширине канала концентрацией горючего. Проводилась работа по анализу имеющихся в настоящее время кинетик горения и отбору наиболее эффективных схем химических реакции в смесях водорода и углеводородов с кислородом и воздухом. Были проанализированы различные модели теплового и силового взаимодействия газовой фазы и фазы частиц и приняты к применению в расчетах несколько из них, которые позволяют охватить широкий диапазон размеров частиц, их концентраций и скоростей фаз. Было проведено экспериментальное исследование нижних концентрационных пределов воспламенения (НКПВ) в метановоздушных смесях с добавками ацетилена, пропана, бутана. Для описания нестационарных двумерных и трехмерных течений смеси газа с частицами использовалось как равновесное, так и неравновесное приближение. Для проведения численных расчетов был модернизирован оригинальный газодинамический программный комплекс для решения задач о двумерных и трехмерных течениях инертных пылегазовых смесей с использованием параллельных вычислений на персональных компьютерах и суперкомпьютерах. 2. Исследован процесс инициировании детонации на препятствии в сверхзвуковом потоке горючей смеси в плоском канале, во входном сечении которого концентрация горючего зависит от поперечной координаты – убывает по вертикали вверх от нижней стенки канала по линейному, параболическому и гауссову закону. В расчетах для ряда геометрических параметров канала определены критические скорости набегающего потока, которые разделяют режимы без детонации, с галопирующей детонацией, с детонацией, выходящей через входное сечение канала в виде стационарного волнового комплекса и режимы со стационарной детонационной волной. Показано, что при линейном распределении концентрации горючего галопирующий режим детонации не формируется. При параболическом распределении галопирующая детонация развивается в определенном диапазоне скоростей, поскольку «эффективная ширина» струи оказывается достаточно малой для того, чтобы ударная волна в бедной смеси отделялась от детонационной волны в богатой смеси. В случае гауссовского распределения ключевым параметром является степень размытости струи; численными расчетами показано наличие галопирующего режима детонации, а также других режимов, найденных ранее. Из результатов проведенного исследования следует, что диффузия сверхзвуковой струи и неоднородность концентрации горючего в набегающем потоке не препятствуют формированию режима галопирующей детонации. 3. Проведено сравнение нескольких современных кинетических моделей окисления водорода с целью выбора реакционного механизма для описания химического взаимодействия при численном моделировании детонационного горения. В рамках выбранной кинетической модели (Старик А.М. и др. О механизме окисления синтез-газа // ФГВ. 2010. Т. 46. № 5. С. 3-19) установлена возможность формирования стабилизированной детонационной волны в сверхзвуковом потоке стехиометрической водородно-воздушной смеси без затрат энергии. Исследована структура отошедшей волны детонации, формирующейся при обтекании полубесконечного симметричного плоского препятствия сверхзвуковым потоком горючей газовой смеси при числе Маха =5.5. Установлено, что стабилизированная перед препятствием отошедшая детонационная волна состоит из трех частей с различной структурой. В окрестности плоскости симметрии, волна представляет собой пересжатую детонацию, а поперечные волны отсутствуют. При удалении от плоскости симметрии, вдоль детонационного фронта распространяются поперечные волны только одного направления, движущиеся вверх по потоку. При дальнейшем удалении, вдоль фронта распространяются и взаимодействуют друг с другом поперечные волны противоположных направлений, а структура волны идентична плоской ячеистой детонации. 4. Проведено экспериментальное исследование нижних концентрационных пределов воспламенения (НКПВ) в метано-воздушных смесях с добавками ацетилена и бутана, в результате которого: получены НКПВ произвольных метано-ацетиленовых смесей и ряда метано-ацетилено-бутановых смесей в стандартном воздухе, которые удовлетворительно согласуются со значениями, полученными на основе правила Ле-Шателье; определены времена сгорании указанных смесей вблизи НКПВ и величина нормальной скорости распространения пламени, лежащая в пределах от 4 до 9,5 см/сек. 5. Выполнено численное исследование взаимодействия затупленных тел с локальными неоднородностями – газовыми пузырями пониженной и повышенной плотности в набегающем сверхзвуковом потоке. Обнаружен эффект возникновения резких положительных всплесков давления и плотности на «осциллограммах» построенных для точки торможения потока на поверхности тела. Установлено, что всплеск давления обусловлен фокусировкой сходящихся поперечных ударных волн на конечном отрезке оси симметрии внутри ударного слоя. Эффект фокусировки сходящейся к оси симметрии ударной волны приводит к резкому увеличению давления и плотности – «взрыву» в локальной области ударного слоя. Распространяющаяся по направлению к поверхности тела взрывная ударная волна вызывает всплеск давления и плотности. В случае пузырей высокой имеет место эффект метания тяжелых газовых частиц взрывной ударной волной, что приводит к дополнительному усилению всплеска параметров. Обнаруженные эффекты фокусировки могут быть использованы для целенаправленного воздействия на тела, движущиеся в атмосфере с высокими скоростями. Кроме того они могут являться причиной, инициирующей разрушение природных объектов (например метеоритов). 6. Проведено исследование и получены данные о влиянии добавок инертной и горючей пыли на инициирование и распространение детонации горючей смеси. Найдено критическое значение концентрации горючих частиц, разделяющее режимы с формирующейся детонацией и режимы без детонации. Изучены течения с угольной пылью в трехмерном канале прямоугольного сечения, моделирующем равномерно запыленную шахту или шахту с запыленными стенками. В частности, наблюдался процесс диспергирования пыли с твердой поверхности при прохождении вдоль нее ударной волны или при кумуляции тороидальной волны, вызванной взрывом заряда на плоской поверхности. В целях отработки оригинальных математических моделей, методик расчета и оригинальных программ проанализированы возможности существующих прикладных программных комплексов при исследовании многофазных течений. Проведены методические исследования, с целью выбора расчетного пакета с наибольшим числом моделей, которые описывают поведение частиц в потоке газа.
2 1 января 2015 г.-31 декабря 2015 г. Взрывные явления в пылегазовых системах в приложении к проблемам безопасности и экологии. Этап 2.
Результаты этапа: 1. На базе оригинального вычислительного комплекса с современным интерфейсом, в котором реализован численный метод С.К. Годунова, создана программа для расчета многомерных нестационарных течений многокомпонентной пылегазовой смеси, состав которой формируется с использованием базы данных о свойствах газообразных и конденсированных компонентов. Для неравновесного случая предусмотрена возможность использовать различные законы силового и теплового взаимодействия компонентов пылегазовой смеси. В базу данных внесены данные, позволяющие формировать газовую фазу из набора компонентов, а фазу пыли – из набора частиц ряда твердых веществ, встречающихся в природе и технике. 2. Сформулирована математическая модель и выполнено численное исследование взаимодействия обтекаемых сверхзвуковым потоком затупленных тел с газовыми пузырями эллипсоидальной формы, заполненными газом пониженной или повышенной плотности. Обнаружен эффект кумуляции – внезапного повышения давления и плотности в критической точке затупленного тела. Показано, что его основной причиной является предшествующая фокусировка ударных волн в малом аксиальном объеме вследствие взаимодействия головного скачка уплотнения с неоднородностями. Для газовых пузырей пониженной при прохождении ударной волны по пузырю на периферии формируется слабая вторичная тороидальная ударная волна, сходящаяся к оси симметрии течения и фокусирующаяся на ее коротком отрезке. Распространяющаяся по направлению к поверхности тела отраженная от задней границы газового пузыря ударная волна усиливается ударной волной, расходящейся от области фокусировки, впоследствии вызывая аномальный всплеск давления и плотности в критической точке тела. Для газовых пузырей повышенной плотности головная ударная волна огибает пузырь, и в результате реализуется «сильная фокусировка» в очень малой области на оси симметрии сильной ударной волны. Как было установлено в расчетах, в этот момент зарождается тонкая высокоскоростная кумулятивная струя, взаимодействие которой с поверхностью тела приводит к драматическому всплеску давления (двадцати – тридцати кратному). Выполнено параметрическое исследование для пузырей различной плотности и размера и определены условия реализации отмеченных эффектов фокусировки. 3. Проведена модернизация вычислительного комплекса для описания нестационарных сверхзвуковых течений неоднородных газов, реализована поддержка массовых параллельных вычислений. На суперкомпьютере МГУ «Ломоносов» проведено численное исследование взаимодействия ударных волн с локальными облаками (пузырями) запыленного газа в рамках однокомпонентной равновесной модели пылегазовой смеси. Установлено, что в зависимости от определяющих параметров задачи формируются различные конфигурации поперечных волн, включающие опрокидывающиеся вогнутые волны и двойные маховские сопряжения волн, а кумуляция происходит внутри либо снаружи деформированного пылевого облака. Предложена классификация режимов фокусировки – внутренних, внешних и переходных. Определена зависимость режима и относительной интенсивности кумуляции от интенсивности падающей ударной волны, формы и плотности пылевого облака. Обнаружено, что при недостаточной плотности реализуется внешний режим фокусировки, при большей плотности облака в зависимости от интенсивности падающей волны и формы облака реализуются как внешние, так и внутренние режимы. В этой области параметров основное значение имеет форма облака: умеренное удлинение облака в ряде случаев может привести к многократному возрастанию интенсивности кумуляции за счет перехода от относительно слабой внешней кумуляции к более интенсивной внутренней кумуляции. Данный эффект является дополнительным фактором взрывоопасности неоднородных пылегазовых смесей, содержащим локальные включения пыли повышенной концентрации. На практике явление усиления кумуляции при удлинении облака может применяться для эффективного инициирования горения и детонации за счет фокусировки ударной волны, изначально обладающей недостаточной для воспламенения пылегазовой смеси интенсивностью. 4. Численно в рамках однотемпературной и односкоростной модели исследована возможность стабилизации сформированной детонационной волны в сверхзвуковом потоке запыленной стехиометрической водородно-воздушной смеси симметричном плоском канале с сужением поперечного сечения. Установлено, что в канале, геометрические параметры которого обеспечивают стабилизацию детонационного горения чистой стехиометрической водородно-воздушной смеси при числе Маха входящего потока 5.2, волна детонации стабилизируется и в запыленной горючей смеси, причем она стабилизируется в расширяющейся по направлению потока части канала. Продолжено детальное исследование обтекания полубесконечного симметричного плоского препятствия сверхзвуковым потоком стехиометрической водородно-воздушной смеси, скорость которого больше скорости распространения детонации и обнаружено, что стабилизированная перед препятствием отошедшая детонационная волна состоит из трех частей с различной структурой. 5. Проведено экспериментальное исследование пределов воспламенения и условия горения метановоздушных смесей с добавками водорода, ацетилена и бутана, которые могут содержаться в составе рудничного газа. Определены нижние концентрационные пределы воспламенения и времена сгорания смесей в сферической камере сгорания с инициированием воспламенения взрывом проволочки в центре сферы. По результатам измерений получены оценки нормальной скорости распространения пламени в околокритических по концентрациям компонентов режимах.
3 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. Взрывные явления в пылегазовых системах в приложении к проблемам безопасности и экологии. Этап 3.
Результаты этапа: Проведена модернизация программ расчета течений пылегазовых смесей в рамках более развитых многокомпонентной равновесной и двухтемпературной двухскоростной модели для расчета двумерных и трехмерных течений с использованием массовых параллельных вычислений. Поставлен и численно решен ряд задач. 1. Задача о распространении ударной волны по воздуху, содержащему цилиндрическое, круглого сечения облако мелкодисперсной кварцевой пыли. Детально описаны ударно-волновые конфигурации, формирующиеся при взаимодействии волны с облаком. Показано, что в результате взаимодействия с облаком пыли происходит фокусировка ударной волны. В зависимости от объемной концентрации пыли реализуются два качественно различных режима фокусировки волны – внутренний и внешний, а положения пиковой точки фокусировки ударной волны и достигаемого в момент фокусировки давления газа от зависят от объемной концентрации пыли в облаке. Аналогичный эффект обнаружен при взаимодействии ударной волны с осесимметричным пузырем газа повышенной плотности. Показано, что наряду с фокусировкой происходит формирование крупно- и мелкомасштабной завихренности пылегазовой смеси. В конечном счете происходит стратификация и турбулентное перемешивание пылегазовой смеси, интенсивность которого возрастает с увеличением объемной концентрации пыли в облаке. 2. Задача о столкновении движущихся со сверхзвуковой скоростью тел с газовыми пузырями пониженной и повышенной плотности. Обнаружен и объяснен эффект внезапного скачкообразного увеличения давления и плотности в критической точке тела до значений многократно превышающих значения, рассчитанные из решения задач Римана по одномерной теории. Показано, что он связан с воздействием тонких кумулятивных струй, формирующихся при фокусировке поперечных ударных волн на оси симметрии. Проведено параметрическое исследование взаимодействия тел с эллипсоидальными газовыми пузырями различной плотности, размера и удлинения. В задаче о взаимодействии ударных волн с газовыми пузырями, заполненными легким или тяжелым газами, а также с пылевыми облаками (в рамках равновесной модели пыли), показано, что результаты согласуются качественно, а при одинаковом факторе отношения плотностей в пузыре и в окружающем газе – и количественно, с результатами, полученными ранее для случая газовых пузырей пониженной и повышенной плотности. 3. В рамках детального кинетического механизма химического взаимодействия показана возможность управления положением стабилизированной детонационной волны в запыленной стехиометрической водородно-воздушной смеси, поступающей со сверхзвуковой скоростью в симметричный плоский канал с пережатием. Исследовано влияние плотности пыли на детонацию. Для канала, выходное сечение которого превышает входное, установлено, что добавлением мелких инертных частиц пыли можно стабилизировать детонационную волну. 4. Проведено численное исследование течений смеси жидкости с инертными частицами в каналах с лунками и траншеями. Установлено, что структуры потока в мелких и глубоких лунках могут существенно отличаться. Так, мелкие лунки характеризуются исключительно стационарным режимом обтекания. Экспериментально в НИИ механики МГУ получено, что при обтекании мелкой лунки, частицы, не пересекая линии симметрии, выносятся потоком со дна лунки. В случае обтекания глубоких лунок частицы пересекают линию симметрии по диагонали и оказываются на другой половине лунки, что свидетельствует о несимметричном режиме обтекания. Проведено численное моделирование возможных стационарных режимов обтекания лунки для определения траектории и времени выноса инерционных частиц. Рассматривается в среднем установившееся турбулентное течение вязкой несжимаемой жидкости в плоскопараллельном канале прямоугольного поперечного сечения с одиночной сферической лункой в центре нижней горизонтальной стенки. Турбулентное течение в канале описывается стационарными уравнениями Рейнольдса, замыкаемыми с помощью двухпараметрической дифференциальной модели турбулентности SST. На фоне этого течения изучается поведение инерционной дисперсной примеси, инжектируемой с поверхности лунки. Согласно расчетам реализуются течения с различными линиями тока, соответствующие симметричной и несимметричной структуре течения. В последнем случае наблюдается несимметричный вихрь, ядро которого пересекает продольную плоскость симметрии лунки под острым углом и выходит из лунки в виде струи. Эффективность выноса пыли из лунки характеризуется коэффициентом уноса – отношением общего количества частиц, покинувших расчетную область в данный момент времени к общему числу первоначально выпущенных частиц. Получены зависимости этого параметра от безразмерного времени для симметричного и несимметричного режимов. 5. Исследовано поведение инерционных частиц при взаимодействии со сжимаемым газом в плоском двумерном канале с выемкой на нижней стенке для оценки влияния глубины траншеи на процесс выноса из нее частиц. Для трех траншеи различной глубины получены зависимости коэффициента уноса от безразмерного времени. 6. Решена задача о течении пылегазовой смеси за тороидальной ударной волной в рамках модели неравновесных по скорости и температуре взаимопроникающих континуума. Газ считается идеальным и совершенным, а эффекты переноса, учитываются при расчете силового и теплового взаимодействия между газом и частицами. Предполагается, что течение пылегазовой смеси возникает в результате взрыва кольцевого заряда на плоской поверхности, а пыль находится внутри кольца, и заполняет либо весь цилиндрический объем, либо тонкий слой у поверхности. Расчеты показали, что вблизи оси симметрии происходит кумуляция потока, и сильная ударная волна распространяется вверх вдоль оси симметрии, а частицы достаточно высоко поднимаются над поверхностью. Согласно расчетам, динамика облака не зависит от начальной плотности континуума частиц. Увеличение линейных размеров заряда практически не влияет на высоту пылевого облака, но она существенно возрастает, когда первоначально пыль заполняет весь цилиндрический объем внутри заряда. Установлено, что пылевое облако разрастается вдоль поверхности земли из-за сильного расходящегося потока газа, возникающего после отражения сходящейся ударной волны от оси симметрии. Около оси формируется сильный вихрь. С точки зрения применения тороидальных зарядов для пожаротушения следует отметить, что усиливающаяся по мере движения к центру симметрии волна может эффективно сбивать пламя, а также доставлять ингибирующую пыль в очаг пожара. Кроме того, возникающий после схлопывания сходящейся ударной волны сильный восходящий поток поднимает пыль на большую высоту и способствует гашению пламени осаждающимся ингибитором на большой площади. 7. При исследовании метановоздушных смесей с добавками H2, CO и тяжелых углеводородов получены следующие результаты. В декартовой системе координат, связанной с ребрами равносторонней пирамиды, построена критическая поверхность воспламенения смеси (CH4 − H2 − O2 − N2). Проведены аналитические расчеты ПДС-O2 для ряда составов горючей смеси с использованием координат построенной критической поверхности воспламенения. Проведен сравнительный анализ существующих методов расчета ПДС-O2 в горючих смесях с использованием понятия критической поверхности воспламенения, который показал, что сущность существующих приближенных выражений для расчетов ПДС-O2 по имеющимся методикам состоит в аппроксимации истинной критической поверхности воспламенения в области её мыса плоскостью или криволинейной поверхностью. Анализ расчетов ПДС-O2 в горючих смесях по существующим методикам показал их ограниченность и возможность использования в расчётах, вообще говоря, только с составами вблизи мыса области воспламенения смеси. Методика расчета ПДС-O2, предложенная в настоящей работе, не имеет указанных ограничений и может использоваться в расчетах для любых составов. Для обоснованного выбора концентрационных составов четырехкомпонентных смесей для экспериментальной проверки методик расчета КПВ горючих компонентов и ПДС-О2 целесообразно использовать пирамидальную диаграмму области взрыва смеси. В частности, установлены области выбора составов горючих, удовлетворяющих определённым ограничениям по концентрациям компонентов, для наиболее результативной экспериментальной проверки различных методик ПДС-О2. Подготовлен экспериментальный стенд и отработана методика определения пределов ПДС-O2 при сжигании горючих смесей в сферической камере сгорания при инициирования горения в центре сферы. Выполнены предварительные опыты с целью экспериментальной проверки методик расчета ПДС-О2.

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".