Введение к работе
Актуальность.
Фокусировка ударных и взрывных волн представляет интерес во многих прикладных областях физической гилро- и газодинамики. Изучение такого рода кумулятивных процессов представляет теоретический и практический интерес, связанный с возможностью реализации экстремальных состояний вещества.
Одной in областей, в которой могут применяться эффекты фокусировки, -это ударно-волновое инициирование детонации в горючих смесях газо». Проблема исследования такого явления может вставать во многих практических задачах, связанных с горением и детонацией, таких как разработка аэрокоемнческих двигателей, в которых детонационные процессы крайне нежелательны, создание детонационных пульсирующих генераторов, исследование возможностей взрывов на химических предприятиях из-за утечки горючих веществ и тл. .
Следует отметить, что. несмотря на неоднократные упоминания о возможности использования кумулятивных эффектов для воспламенения и детонации горючих смесей их подробные исследования до недавнего времени не проводились. Что касается теоретических и численных исследований, это связано, в первую очередь, со сложностью создания модели, способной адекватно описывать одновременно как многомерные нестационарные газодинамические течения горючих смесей, так и неравновесные физико-химические процессы. Особенно актуальной проблема создания такой модели становится при разработке и проектировании силовых установок, принцип действия которых основан не на традиционном использовании энергии сгорания топлива, а на детонационном сгорании рабочей горючей смеси, что может привести к существенному повышению эффективности использования теплоты, выделяемой при протекании химических реакций.
Целями диссертационной работы являются:
-
Анализ существующих монотонизированных схем применительно к расчету газодинамических течений с сильными разрывами. Выбор и обоснование метода для расчета процессов фокусировки ударных волн и детонации в химически неравновесных газах.
-
Разработка алгоритма модификации выбранного метода и соответствующего ему пакета прикладных программ применительно к численному моделированию нестационарных двумерных течении химически неравновесного газа, возникающих при отражении ударной волны от криволинейных вогнутых донных поверхностей с дальнейшей ее фокусировкой и возможном инициировании воспламенения и детонации.
-
Проведение расчетных исследований процессов фокусировки отраженной от вогнутой поверхности ударной волны и влияния геометрической формы рефлектора на максимально достижимые при фокусировке давление и температуру.
-
Проведение расчетных исследований процесса формирования детонации
при фокусировке ударной волны, отраженной от вогнутой поверхности сферической формы, в смеси 2П;+0:. Исследования положений пределов инициирования детонации при использовании эффекта фокусировки ударных волн.
Научная повита и практическая ценность.
-
Разработана модель, позволяющая описывать двумерные нестационарные химически неравновесные течения газов при налички сложных структур га ад-динамических разрывов, таких как сильные ударные и детонационные волны и контактные поверхности. Газодинамика течения описывается с помощью модификации TVD-схемы Хартена, химическая кинетика моделируется с помощью упрощённой двухпараметрический модели горения.
-
Предложен метод подбора коэффициентов, описывающих двухпарамет-рическую модель і орения для возможности расчёта произвольных горючих смесей газов в широком диапазоне начальных температур и давлений. Приводятся значения коэффициентов для смесей Hj+Oj и С:Нг+воздух стехиометрического состава в диапазоне начальных давлений p„=f).l+30 МПа и температур Tq=800+2W)0K. Приведено математическое обоснование возможности использования рассматриваемой двупараметрической модели.
-
На основе разработанного алгоритма составлены пакеты програми для расчёта двумерных нестационарных течений химически реагирующего газа и графического представления получаемых результатов.
-
Подробно исследован процесс фокусировки ударных волн, отражающихся от криволинейных вогнутых поверхностей в равновесном газе. Исследовано влияние формы отражающего профиля на степень фокусировки ударной волны с точки зрения возможности инициирования детонации.
-
Проведено численное исследование различных случаев инициирования горения и детонации, возникающих при отраженжш ударной волны от сферической вогнутой поверхности в водородио-кнслородиой смеси. Показано, что использование кумулятивных эффектов фокусировки отраженных от криволинейной поверхности ударных волн приводит к заметному снижению энергии мощности падающей ударной волны для инициирования детонзинн по сравнению с использованием плоского отражателя.
Автор защищает:
-
Выбор и обоснование метода расчета процессов фокусировки ударных волн и детонации в химически неравновесных газах на основе анализа существующих ионотоннзнрованных схем.
-
Разработка алгоритма и пакета программ применительно к численному моделированию нестационарного двумерного течения химическн-реагирующего газа, реализующегося при отражении ударных волн от плоских и осеснмметрич-ных вогнутых поверхностей а произвольных горючих смесях, с воспламенением и дальнейшим переходом в детонацию. Разработка пакета программ для графического представления полученных результатов.
3.Разработка алгоритма совместного решения уравнений газовой динамики и заданной двумя обобщенными уравнениями химической кинетики, основанного на методе расщепления по физическим процессам и метода подбора коэффициентов обобщенной двухпараметрической модели горения произвольной химическн-рсашрующей смеси газов.
4. Результаты численного исследования влияния формы вогнутой криволинейной поверхности на параметры, достижимые при фокусировке отраженной от нее ударной волны и процесса формирования детонации при отражении ударной волны от вогнутой сферической поверхности в водородно-кислородной смеси сте-хнометрнческого состава.
Апробация ра(к>ты.
Основные результаты диссертации представлены в {t-IOJ. По материалам, содержащимся в диссертации автором сделаны доклады:
на международной конференции "Фундаментальные проблемы физики ударных волн" (Минск, 1992г.); , ї
на конференции "Использование ударно-волновых и детонационных эффектов в тепловых двигателях" (Красноармейск, 1993);
на семинаре по численным методам решения задач аэродинамики под руководством д.ф.-м.н., проф. В.М.Пасконова и д.ф.-м.н., проф. Г.С.Рослякова (ВМиК МГУ, Москва, 1993г.);
на научных семинарах под руководством: к.т.н. Р.М.Пушкина (НПФ "Простор", Красноармейск, }990-95гг.); д.т.н., проф. У.Г. Пирумова (МАИ, Москва, 1995г.); д.ф.-м.н. В.Е.Трощиева (ТРИНИТИ, Троицк, 1991г.); д.ф.-м.н. А.Н.Старостина (ТРИНИТИ, Троицк, 1992-93гг.).
Объём н структура, диссертации,
Диссертация изложена на 123 страницах, состоит из четырех глав, содержит 35 рисунков и 3 таблицы. Библиография насчитывает 95 наименований.