Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время значительно возрос интерес к моделированию двухфазных реагирующих течений. Это связано во-первых с необходимостью на этапе проектирования и опытной эксплуатации различных технологических установок получать как можно более полную информацию о характеристиках двухфазного потока (давлении газа, скоростях и температуре газа и частиц, агрегатном состоянии материала частиц, зонах распространения и повышенной объемной плотности частиц и т.д.), во-вторых - с необходимостью прогноза величины выбросов токсичных веществ и разработки способов их подавления, в третьих - с обеспечением инициирования (установки детонационно-газового напыления) или предотвращения (атомные реакторы) детонации при проектировании элементов технологических установок.
Несмотря на то, что имеется большое число работ, посвященных численному моделированию двухфазных реагирующих течений, вышеперечисленные задачи исследованы недостаточно полно. Наличие в поле течения областей занятых различными газами, образование граничных траекторий частиц, ударных волн и контактных разрывов, а также необходимость использования при математическом моделировании химически реагирующих течений детальных многостадийных кинетических механизмов требуют развития новых ччисленных методов совместного решения уравнений газовой динамики двухфазных сред и уравнений химической кинетики с явным выделением поверхностей сильных разрывов.
Цель работы. Разработка численного метода расчета квазиодномерных нестационарных двухфазных реагирующих течений с явным выделением произвольного числа взаимодействующих разрывов, а также численное моделирование указанных течений в различных технологических установках.
Научная новизна. Разработан сеточно-характеристический метод расчета квазиодномерных нестационарных неравновесных двухфазных реагирующих течений с явным выделением произвольного числа взаимодействующих разрывов ( ударных волн; контактных разрывов разделяющих газы различного состава, граничных траекторий частиц и т.д. ), цричем с точным разрешением всех возможных видов их взаимодействий.
Исследован процесс инициирования детонации в горючей смеси ударной волной образованной в результате распада разрьта на границе инертного газа ( н* э под высоким давлением и горючей смеси ( водород - кислород, водород - воздух, метан - воздух ) при нормальных условиях. При моделировании течения горючей смеси использовались многостадийные кинетические механизмы.
Получены временные развертки процесса включающие в себя общие для всех горючих смесей этапы, а именно : на начальном этапе близкое к автомодельному течение, затем воспламенение горючей смеси у контактного разрыва, образование волны воспламенения и распространение ее по горючей смеси, взаимодействие волны воспламенения с головной ударной волной.
Получены распределения скорости, давления, температуры и концентраций химических компонент, зависимости от начальных параметров времен индукции и образования детонационной волны, длины преддетонашонного участка.
На примере модельной задачи "о распаде произвольного разрыва" в двухфазной среде в рамках многолистного гидродинамического приближения для случая монодисперсного конденсата показана возможность пересечения траекторий частиц и ,в частности, образования сборки (т.е. области пространства, в каждой точке которой скорость и температура конденсата имеют три значения).
Проведено исследование двухфазного течения в установке детонационно-газового напыления, получена временная развертка двух последовательных "выстрелов" установки. Расчетным путем обнаружены дисбаланс между длительностями отдельных стадий напыления, а также втекание атмосферного газа в ствол установки в промежутках между "выстрелами".
Проведено численное моделирование течения слеченых двухкомпонентных порошков в установке детонационно-газового напыления с учетом плавления.
Практическая ценность. Разработанный численный метод и результаты расчетов могут быть использованы при теоретических и экспериментальных исследованиях двухфазных течений в соплах и ударных трубах при наличии неравновесных химических превращений, а также при проектировании технологических установок.
Достоверность результатов достигалась путем сравнения с имеющимися аналитическими решениями, а также с известными расчетными и экспериментальными данными.
Апробапия работы. Основные результаты работы докладывались на Всесоюзных и международных конференциях "Современные вопросы механики и технологии машиностроения" (Москва,19Э6), 'Теоретические основы и конструирование численных алгоритмов решения задач математической физики" (Кемерово,1988), на втором Советско-японском симпозиуме по вычислительной газовой динамике (Цукуба,1990), "интеграция систем целевой подготовки специалистов и автоматизированных технических систем различного назначения" (Алушта,1990), "Программное обеспечение математического моделирования" (АдлерДЭЭП, "Газодинамика и физика ударных волн" (Минск, 1992) и семинарах по вычислительной таловой динамике им. Г.И. Петрова (1991, ВМК МГУ, рук. В.М.Пасконов, У.Г.Пирумов, Г.С.Росляков), по физико-химической газовой динамике (1992, НИИмех МГУ, рук. С.А.Лосев).
Основные результаты работы опубликованы в t1-9^-
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, четырех приложений, содержит 192 стр., 83 рис., 13 таблиц и список литературы из 126 названий.