Введение к работе
з
Актуальность проблемы. Истощение и рост стоимости традиционных углеводородных топлив с одной стороны и ужесточение норм экологической безопасности с другой требуют разработки новых типов энергетических установок на традиционных топливах с высокой термодинамической эффективностью их работы, а также развитие альтернативных традиционным видов энергетики, в частности водородной. Активно развиваемыми направлениями исследований для решения этих задач являются разработка энергосиловых установок, в основе которых лежит детонационное сжигание топлива -пульсирующих детонационных устройств (ПДУ), и формирование базиса для развития водородной энергетики
Как при разработке ПДУ, так и для обеспечения безопасного развития водородной энергетики важной является проблема инициирования детонации. С одной стороны, стадия формирования детонационной волны в прототипах ПДУ, работающих на широко распространенных углеводородных топливах (керосин, метан) ограничивает возможную частоту работы устройств и снижает общую эффективность установки. С другой стороны, определение критических условий инициирования и распространения детонации в водород-воздушных смесях в широком диапазоне начальных условий необходимо для проектирования объектов водородной энергетики и прогнозирования последствий аварий при выбросах водорода.
Воздействие неравновесной плазмы на газодинамические и химические процессы в реагирующей среде может стать эффективным инструментом управления инициированием детонации в ПДУ Теоретическое исследование механизмов инициирования под действием неравновесной плазмы электрических разрядов является актуальной задачей для совершенствования существующих и разработки новых методик инициирования детонации.
Формирование детонационных волн происходит при взаимодействии газодинамических процессов и процессов тепловыделения в химических реакциях. При теоретическом исследовании механизмов инициирования детонации важную роль играют модели горения топлив, которые отражают особенности кинетики воспламенения и тепловыделения. В связи с этим, задача развития методик моделирования кинетики процессов горения в детонационных волнах, приемлемых с точки зрения вычислительных
4 ресурсов и обеспечивающих высокую точность моделирования детонационных явлений является актуальной.
Цель и задачи исследования. Для достижения основных целей работы
развитие эффективных с вычислительной точки зрения химических моделей горения топливо-кислородных смесей для моделирования динамики детонационных и ударных волн в реагирующих средах;
исследование механизмов инициирования детонации под действием неравновесной плазмы электрических разрядов
в диссертации ставятся и решаются следующие задачи-
1. Для определения роли кинетики реакций горения в инициировании детонации провести теоретическое исследование механизмов формирования ударных волн в пространственно неоднородной воспламеняющейся среде. Рассмотреть два типа кинетики модельных реакций горения' простая реакция первого порядка, разветвленно-цепная реакция
-
Усовершенствовать описание стадии тепловыделения в модели параметра индукции (Induction Parameter Model, IPM) с целью повышения точности моделирования динамики ударных волн при инициировании и распространении детонации.
-
Развить модель горения пропана для газодинамического моделирования инициирования детонации, учитывающую влияние неравновесной плазмы на кинетику воспламенения пропан-кислород-азотных смесей в диапазоне температур, давлений и химических составов реагирующих смесей, характерных для рабочих условий пульсирующих детонационных устройств.
-
Для обоснования предлагаемой модификации модели параметра индукции и подтверждения теоретических выводов о роли кинетики горения в детонационных явлениях провести моделирование ячеистой структуры детонационной волны на примере водород-кислородных смесей. Сравнить результаты моделирования с экспериментальными данными и предсказаниями на основе расчетов с детальной кинетической схемой
-
Исследовать механизмы и критические условия инициирования детонации за взрывными и падающими ударными волнами в условиях предварительного воздействия неравновесной плазмы импульсных электрических разрядов.
Научная новизна. Новыми являются следующие результаты работы 1. Методика расчета константы скорости и энергии активации в одностадийной модели горения пропана для газодинамического моделирования инициирования детонации,
5 учитывающая влияние неравновесной химически активной плазмы импульсного разряда на кинетику воспламенения.
2 Демонстрация существенного снижения критической энергии прямого инициирования детонации взрывными волнами в среде с локальными неоднородностями (тепловыми или связанными со сверхравновесной концентрацией химически активных атомов и радикалов), образовавшимися при воздействии неравновесной плазмы электрических разрядов
3. Обоснование доминирующей роли многомерного механизма инициирования детонации над одномерным при инициировании детонации в среде с локальными неоднородностями, образовавшимися при воздействии неравновесной плазмы электрических разрядов
4 Транспортное уравнение, описывающее рождение и распространение газодинамических
возмущений в пространственно неоднородной воспламеняющейся среде
5 Модифицированная модель параметра индукции, обеспечивающая точное
воспроизведение кинетики тепловыделения в химических реакциях и методика расчета ее
коэффициентов
Практическое значение работы. Результаты работы представляются практически важными для следующих приложений'
1. Модифицированная модель параметра индукции позволяет проводить инженерную количественную оценку развития детонационных волн в двух- и трехмерном моделировании при доступных в настоящее время вычислительных ресурсах 2 Одностадийная модель горения пропана, учитывающая влияние неравновесной плазмы на кинетику воспламенения, может применяться для газодинамических расчетов инициирования детонации под действием неравновесной плазмы в пропан-кислород-азотных смесях для широкого диапазона условий, характерных для детонации (Т > 1200 К, Р > 1 атм).
3. Установленный эффект существенного снижения критической энергии прямого инициирования детонации (например, искровым разрядом) в топливо-кислородных смесях с локальными неоднородностями, сформировавшимися при воздействии неравновесной плазмы, может быть использован для оптимизации существующих и разработки новых схем плазменного инициирования детонации.
Апробация работы Результаты работы были представлены на научных семинарах НИИ механики МГУ, механико-математического факультета МГУ, ЦИАМ, ГУП ЦНИИМаш, а также на российских и международных конференциях LVIII Научная
Конференция Московского Физико-Технического Института, Москва, Россия, ноябрь, 2005, Non-Equilibrium Plasma, Combustion and Atmospheric Pollution (2nd NEPCAP), Sochi, Russia, октябрь 2005; 31st International Symposium on Combustion (31s1 ISC), Heidelberg, Germany, август, 2006, 21st International Colloquium on Dynamics of Explosions and Reactive Systems (21st ICDERS), Poitiers, France, июль, 2007; 7th International Symposium on Hazards, Prevention and Mitigation of Industrial Explosions, Saint-Petersburg, Russia, июль, 2008
Публикации. За время работы над диссертацией опубликовано шесть печатных работ
Объём и структура диссертации. Работа изложена на 194 страницах, иллюстрирована 54-я рисунками и содержит 12 таблиц Диссертация состоит из введения, включая литературный обзор, и четырех глав. Список цитированной литературы содержит 115 наименований
