Введение к работе
Актуальность темы
Динамика искривленных ламинарных пламен является одним из центральных вопросов теории горения. Хорошо известно, что одним из видов распространения экзотермической реакции в газообразной горючей смеси является волна медленного горения, называемая также волной дефлаграцищ или ламинарным пламенем. Форма и скорость ламинарного пламени, распространяющегося в горючей смеси, во многих отношениях определяется гидродинамическими неустойчивостями, возникающими па его фронте, такими как неустойчивость Ландау-Дарье. Вследствие этой неустойчивости, плоский фронт пламени спонтанно искривляется, что приводит к изменению его скорости, а иногда даже турбулизации.
Этот тип неустойчивости был хорошо исследован как на линейной, так и на нелинейной стадии в приближении несжимаемого потока. В частности, было получено, что фронт пламени, распространяющийся в канале достаточно большой ширины, принимает стационарную искривлепную форму с характерной периодической ячеистой структурой, размер ячейки которой превышает толщину пламени более чем на порядок величины. Прп этом, екорость искривленного пламени значительно больше скорости поского.
Приближение несжимаемого потока вполне корректно, если мы рассматриваем обычные пламена, распространяющиеся со скоростью значительно мепыпей скорости звука. Однако, в случае сравнительно быстрых пламен, встречающихся в закрытых камерах сгорания, необходимо учитывать сжимаемость газового потока, поскольку даже слабое ее проявление может приводить к значительным изменениям характера горения. Кроме того, горение газовой смеси в закрытых камерах сгорания отличается тем, что распространение даже сравнительно медленных пламен вызывает появление слабых ударных волн, взаимодействие с которыми может приводить к дополнительной дестабилизации пламени.
Цель работы
Целью пастоящей диссертации является теоретическое исследование эффектов, возникающих прп распространении ламинарного пламеп в сжимаемом потоке, в том числе:
описание влияния сжимаемости на линейную стадию неустойчивости Ландау-Дарье плоского фронта пламени;
исследование характера распространения стационарных искривленных пламен в сжимаемом потоке, а так же влияния эффектов сжимаемости па их скорость и форму;
изучение взаимодействия стационарного искривленного пламени со слабыми ударными волнами.
Научная новизна
В данной работе впервые подробно рассматривается влияние сжимаемости на распространение п устойчивость фронта пламени конечной толщины в горючей газовой смеси, принимая во внимание процессы переноса и энерговыделения, определяющие распространение пламени. Показано, что скорость роста неустойчивости Ландау-Дарье очень чувствительна к эффектам сжимаемости и может возрасти в несколько раз даже при малых значениях числа Маха набегающего потока.
Подробно исследется нелинейная стадия неустойчивости Ландау-Дарье и распространение стационарных искривленных пламен в сжимаемых потоках. Показано что учет сжимаемости сильно влияет на ускорение ламинарных пламен, вследствие искривления их фронта. Кроме того, сильное искривление фронта пламени в сжимаемом потоке может происходить в значительно более узких каналах, чем в несжимаемом.
Впервые проведено детальное исследование взаимодействий стационарных искривленных пламен со слабыми ударными волнами. Показано, что прямое столкновение пламени с ударной волной может приводить как стабилизации, так и дестабилизации пламени, в зависимости от его параметров и интенсивности ударной волны.
Методика исследования
При исследовании линейной стадии неустойчивости Ландау-Дарье решалась задача на собственные значения, определяемая линеаризованной системой гидродинамических уравнений и соответствующими граничными условиями, с безразмерной скоростью роста возмущений в качестве собственного числа.
Изучение распространения стационарных искривленных пламен в сжимаемом потоке и взаимодействия их со слабыми ударными волнами проводилось при помощи прямого численного моделирования, основанного на решении полной системы уравнений гидродинамики и химической кинетики.
Практическая ценность
Полученные результаты позволяют сделать вывод о необходимости учитывать эффекты сжимаемости потока при рассмотрении распространения быстрых пламен в закрытых камерах сгорания, а так же других волн дефлаграциошюго типа, распространяющихся в режимах, близких к режиму Чепмена-Жуге, таких как волна лазерной абляции.
Результаты моделирования нелинейной стадии неустойчивости Ландау-Дарье позволяют лучше попять мехапизм ускорения быстрых искривленных пламен и могут быть использованы при изучении таких сложных эффектов, как переход медленного горения в детонацию.
Проведенное в работе исследование результатов взаимодействия искривленных пламен с ударными волнами проясняет сложную картину горепия газовой смеси в закрытых камерах сгорания. Полученные критические параметры могут быть полезны при проведени экспериментов в этой области и интерпретации экспериментальных данных.
Апробация работы
Материалы диссертации докладывались па XLI научной конференции МФТИ (Долгопрудный, 1998 г.), на конференции "Workshop on Combustion and Flames '98" (Уппсала, Швеция, 1998 г.), на международной конференции по инерциалыюму термоядерному синтезу "Plasma Physics with High Power Beams" (Дармштадт, Германия, 1998 г.), а также на научных семинарах Физического факультета Уппсальского университета (Швеция).
Объем и структура диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитированной литературы из 46 наименований. Диссертация содержит 83 страницы, включая 29 рисунков.