Введение к работе
Диссертация посвящена исследованию методами численного моделирования динамики дозвукового горения и детонации газообразных горючих смесей применительно к задачам получения низкотемпературной плазмы.
Актуальность работы
Процессы горения газообразных горючих смесей являются эффективным средством высвобождения химической энергии, которая далее используется в широком диапазоне технических приложений, от обогрева помещений, взрывных работ, работы двигателей до образования низкотемпературной плазмы. В последнем случае вопросы реализации эффективных и стабильных режимов горения представляются наиболее критичными, так как интенсивность энергии, выделяемой за счет экзотермических реакций, даже для наиболее энергетически выгодных реакций лежит вблизи нижних пределов ионизации большинства веществ, используемых в качестве источников плазмы. Это делает актуальным более детальное исследование ведущих физических факторов, определяющих эффективность преобразования химической энергии вещества в тепловую энергию.
Несмотря на то, что процессы горения известны с древности, многие практически значимые проблемы не получили окончательного решения в силу сложного нелинейного характера процессов. Поэтому для научно обоснованного совершенствования подходов к эффективному преобразованию химической энергии необходим дальнейший детальный анализ отдельных, еще недостаточно изученных, аспектов науки о горении. Из большого разнообразия физических факторов, определяющих газодинамику горения, наименее изученными в настоящее время являются процессы нелинейного развития неустойчивостей фронта пламени и переходные процессы от дозвукового к сверхзвуковому режиму распространения фронта горения.
В силу большой нелинейности рассматриваемых процессов и, зачастую, невозможности их исследования аналитическими методами, одним из основных методов теоретического изучения горения газообразных топлив в задачах получения низкотемпературной плазмы является численное моделирование.
Накопленный в физике горения опыт показывает, что применение упро-щеннных физико-математических моделей, как правило, не дает результатов, требуемых для решения практически значимых задач. Таким образом, актуальной является задача непосредственного численного решения полной системы исходных уравнений, определяющих динамику вязкой теплопроводной жидкости с учетом многокомпонентной диффузии и энерговыделения за счет химических реакций. Принципиальная сложность численного решения задач физики горения газообразных смесей состоит в том, что эволюция зоны
горения и исследуемые переходные режимы носят сугубо разномасштабный пространственно-временной характер и к тому же не могут достоверно рассматриваться в одномерной геометрии. Все это выдвигает высокие требования к техническим характеристикам используемых для расчета компьютеров, удовлетворить которые стало возможным только в последнее десятилетие с появлением современных высокопроизводительных многопроцессорных комплексов. Это позволило приступить к решению многих актуальных задач физики горения, часть из которых рассматривается в настоящей работе.
Цель диссертационной работы
Основной целью настоящей работы является исследование методами численного моделирования роли газодинамической неустойчивости пламени в эволюции фронта пламени и переходе от дозвукового к детонационному режиму горения в газообразных горючих смесях, а также оценка характеристик плазмы, получаемых в результате сжигания газообразного топлива.
Для достижения целей работы численные эксперименты были выполнены в двух практически значимых базовых постановках:
распространение горения и переход медленного горения в детонацию в трубах
распространение горения в открытых пространствах
Научная новизна работы
-
В результате численного моделирования установлено, что при распространении ламинарного пламени в трубах фронт пламени стремится к установлению простой выпуклой формы без точек перегиба, при этом фракталоподобная структура фронта пламени не формируется.
-
Получена зависимость скорости стационарного пламени от ширины трубы для различных коэффициентов теплового расширения газовой смеси.
-
В результате численного моделирования свободно распространяющихся пламен в двумерной геометрии установлено, что в прямом численном моделировании развитие гидродинамической неустойчивости (неустойчивости Ландау-Дарье) приводит к формированию фракталоподобной структуры фронта пламени.
-
Методами численного моделирования показано, что для свободно распространяющегося пламени в двумерной геометрии зависимость радиуса фронта пламени от времени соответствует степенному закону с показателем 1.25, при этом полученная фрактальная размерность поверхности фронта находится в хорошем соответствии с теоретическими оценками.
-
Методами численного моделирования показано, что в достаточно широких по сравнению с шириной фронта пламени каналах классическая
неустойчивость Ландау-Дарье может приводить к появлению в складках пламени интенсивно нагреваемых областей несгоревшей смеси, что способствует резкому переходу от дефлаграционного к детонационному горению. Переход происходит, когда подъем давления за счет самовоспламенения в нагреваемых областях становится достаточно высоким для создания ударной волны, поддерживающей детонацию. 6. Показано, что в результате развития неустойчивости Ландау-Дарье переход от дефлаграционного к детонационному горению может происходить на масштабах порядка 10 см и может быть использован для получения низкотемпературной плазмы в детонационных МГД-генераторах при применении газообразных взрывчатых веществ (ВВ) в качестве рабочего тела, а также в качестве ВВ, альтернативных пороховым зарядам, при формировании детонационной (ударной) волны в камере сгорания. Плазма, которая может быть образована при использованиии газообразных взрывчатых веществ, как в качестве альтернативы пороховым зарядам, так и в качестве рабочего тела МГД-генератора, по оценкам может достигать характеристик, удовлетворяющих требованиям плазмы МГД-генераторов.
Достоверность результатов
Для того, чтобы убедиться в правильном воспроизведении важных свойств потока, для каждой задачи была проведена серия тестовых расчетов. Достоверность результатов подтверждается хорошим согласием результатов как с теоретическими оценками, так и с ранее полученными экспериментальными результатами, в том числе с данными специально поставленных экспериментов по возникновению стука в двигателях с искровым поджигом. При численном моделировании этого процесса использовалась химическая кинетика, уравнения состояния и коэффициенты переноса, описывающие реальные топливные смеси.
Научная и практическая ценность работы
Полученные результаты могут быть использованы широким кругом специалистов в области прикладной и теоретической физики горения и детонации газообразных топлив. Результаты работы могут способствовать развитию ряда приложений, связанных с преобразованием химической энергии в тепловую и генерацией низкотемпературной плазмы. Выводы диссертации могут использоваться при конструировании перспективных импульсных детонационных двигателей и импульсных детонационных МГД-генераторов.
Разработанный пакет вычислительных программ позволяет проводить многомерные расчеты горения реальных топлив и может быть использован при
расчетах процессов горения в камерах сгорания двигателей, турбинных установок, обогревательных систем.
Основные научные положения, выносимые на защиту
-
Закономерность эволюции фронта пламени в трубах и зависимость скорости распространения пламени от ширины трубы.
-
Закономерности эволюции фронта пламени в открытом пространстве, сравнительный анализ автомодельных режимов распространения пламени в двумерной и трехмерной геометриях.
-
Новые результаты по переходу горения в детонацию за счет деформации фронта пламени при развитии газодинамической неустойчивости.
-
Возможность корректного численного моделирования процессов сжигания реальных углеводородных топлив в камерах сгорания технических устройств.
-
Возможность применения газообразных горючих смесей для получения низкотемпературной плазмы в импульсных МГД-генераторах.
Апробация работы
Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях и семинарах: XLVII Научной конференции МФТИ 26 – 27 ноября 2004 года; 20th International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems (ICDERS), Монреаль, Канада, 31 июля – 5 августа 2005 года; The 16 International Symposium on Transport Phenomena (ISTP-16), Прага, 29 августа – 1 сентября 2005 года; ECCOMAS Thematic Conference on Computational Combustion, Лиссабон, Португалия, 21 – 24 июля 2005 года; ECCOMAS CFD Conference 2006, TU Delft, Нидерланды, 5 – 8 сентября 2006 года; International Symposium on Shock Waves, Гёттинген, Германия, 15 – 20 июля 2007 года, 21st International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems (ICDERS), Пуатье, Франция, 23 –27 июля 2007 года, а также на семинаре ИТЭС ОИВТ РА Н .
Публикации
Основные научные результаты диссертации отражены в 16 научных работах, среди которых 1 статья в журнале из перечня ВАК, 4 публикации в прочих реферируемых журналах, 2 главы в книгах, а также 9 публикаций в сборниках материалов и тезисов научных конференций.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы; содержит 115 страници 44 рисунка. Список использованной литературы насчитывает 83 наименования.
Личный вклад автора
Вклад автора в работы, вошедшие в диссертацию, является одним из основных. Автор принимал активное участие в постановке научных задач. Им проведена разработка и существенная модификация компьютерных кодов и проведены все основные численные расчеты. Автором была выполнена обработка и проведен анализ полученных численных результатов. На основании результатов исследований им сформулированы и обоснованы выводы, вошедшие в диссертацию.
