Введение к работе
Актуальность темы
Процесс горения составляет базис современной промышленности, причём одним из основных потребителей бензина и других нефтепродуктов является транспорт, как наземный, так и воздушньш. Немногие изобретения имели столь сильное влияние на общество, экономику и окружающую среду, как двигатель внутреннего сгорания. Однако в настоящее время автомобильная промышленность столкнулась с многочисленными новыми специфическими проблемами. Наиболее важными из этих проблем являются, по-видимому, необходимость снижения уровня вредных продуктов сгорания в моторах и более эффективного потребления горючего. Даже при нынешней скорости потребления земных запасов нефти и природного газа хватит не более чем на 50-70 лет, то есть в лучшем случае до конца XXI века. Кроме того, сжигание углеродного топлива (нефти, газа, угля), сопутствующее современное производство энергии, негативно отражается на тепловом балансе земной атмосферы и на климате. Одним из возможных путей борьбы с загрязнением атмосферы может быть переход на альтернативные виды топлива, такие как водород. В принципе, водород является «идеально чистым» топливом с нулевым выделением вредных продуктов горения. Однако, с другой стороны, низкая энергия активации водорода делает такое топливо взрывоопасным: проблема загрязнения атмосферы заменяется проблемой безопасного горения. По этим причинам эффективное производство и распределение энергии, снижение уровня вредных продуктов горения и защита окружающей среды, а также вопросы безопасности горения станут в ближайшем будущем первоочередными проблемами для всех развитых стран.
Несмотря на это до сих пор проектирование и модернизация двигателей происходит в основном старинным методом проб и ошибок, как оно происходило в течение века с самого начала автомобильной промышленности. Развитие компьютеров и вычислительных методов позволяет в настоящее время существенно убыстрить и улучшить процесс проектирования, перейти на подробное численное тестирование моторов до того, как изготовлен прототип. Всё же многие проблемы проектирования двигателей не могут быть решены даже при помощи современньгх компьютеров. Действительно, для того, чтобы провести реалистичное численное моделирование пламени в моторе, инженер должен учесть сложную форму камеры сгорания, трёхмерное турбулентное течение в моторе, сложный химический процесс горения, который может включать до сотни элементарных реакций с различными цепями развития. Ещё более трудная проблема - это существенный разброс масштабов длины, характерных для различных физических и химических процессов, вовлечённых в горение, которые необходимо принять во внимание при численном моделировании. Таким образом, хотя основные уравнения, регулирующие динамику пламени, хорошо известны, турбулентное горение в реальных моторах по-прежнему остаётся слишком сложным процессом для прямого
. численного моделирования. Моделирование пламени в двигателях требует развития теоретических моделей горения, поскольку в этом отношении, к сожалению, теория существенно отстаёт от нужд
v автомобильной промышленности. Однако построение надёжной модели турбулентного горения в моторе требует прежде всего понимания собственных свойств пламени, как турбулентного, так и ламинарного, которые также недостаточно хорошо изучены до сих пор. Теория ламинарного искривлённого пламени должна стать основой реалистической физической модели турбулентного горения в двигателях автомобилей и газовых турбинах самолётов.
Цели диссертационной работы
Целью диссертационной работы является исследование динамики и устойчивости ламинарного пламени в перемешанном горючем при использовании вычислительной техники, математического моделирования и аналитических методов, в том числе:
Аналитическое и численное решение фундаментальной задачи о распространении стационарного искривлённого фронта пламени, возникающего на нелинейной стадии развития гидродинамической неустойчивости пламени.
Аналитическое и численное решение фундаментальной задачи об устойчивости стационарного искривлённого пламени в широких трубах как первый шаг в самотурбулизации пламени и развитии фрактальной структуры фронта.
Исследование других эффектов, влияющих на динамику пламени: поля тяжести, звуковых и ударных волн, закрытой геометрии камеры сгорания, сжимаемости.
Решение задач, сопутствующих теории динамики и устойчивости пламени: задачи об устойчивости лазерной дефлаграции ускоряемой плазменной мишени в инерционном термоядерном синтезе, а также задачи о распространении термоядерной реакции в белых карликах при взрывах сверхновых.
Научная новизна работы
В диссертации развита теория динамики и устойчивости искривлённых ламинарных пламён. Для исследования пламени используются аналитические методы и численное моделирование. К новым результатам, полученным в диссертации, прежде всего относятся:
Аналитическое и численное решение задачи о распространении стационарного искривлённого фронта пламени в трубе с идеально гладкими и адиабатическими стенками для случаев двумерной и трёхмерной осесимметричной геометрии течения. Получена аналитическая формула для увеличения скорости пламени за счёт искривлённой формы фронта.
При помощи численного моделирования изучено влияние поля тяжести на динамику искривлённых пламён. Показано, что в случае большого ускорения тяжести и достаточно широких труб движение лёгкого пузыря продуктов горения является основным процессом, определяющим динамику пламени как в вертикальных, так и в горизонтальных трубах. Решена задача о скорости бесконечно лёгкого пузыря в горизонтальной трубе.
Показано, что поле тяжести играет доминирующую роль при распространении термоядерного пламени в белых карликах при взрывах сверхновых, что приводит к несимметричном развитию термоядерного взрыва из-за неустойчивости Рэлея-Тэйлора.
Развита аналитическая теория, описывающая уменьшение неустойчивости Рэлея -Тэйлора в ускоряемых плазменных мишенях за счёт теплопроводности и абляционного потока вещества.
Развита аналитическая теория линейного взаимодействия пламени со звуковой волной. Теория включает стабилизацию пламени за счёт осциллирующего эффективного ускорения «поля тяжести», создаваемого акустической волной, а также параметрическую неустойчивость пламени, возбуждаемой акустическими волнами достаточно большой амплитуды.
Развита линейная аналитическая теория столкновения слабо искривлённого пламени с ударной волной. Нелинейное взаимодействие сильно искривлённого стационарного пламени с проходящей ударной волной было изучено при помощи прямого численного моделирования. Получено условие дестабилизации пламени как на линейной, так и на нелинейной стадии.
При помощи численного моделирования исследовалась динамика пламени в закрытых трубах. Обнаружено существенное различие в поведении пламён с разными порядками реакции в закрытой камере сгорания. Показано, что эффекты сжимаемости могут значительно дестабилизировать фронт пламени и увеличивать скорость искривлённых пламён даже в случае малых чисел Маха, характеризующих течение горючего.
При использовании численных и аналитических методов решена задача об устойчивости искривлённого стационарного фронта пламени в широкой трубе для случая двумерного течения. Показано, что в широких трубах стационарное искривлённое пламя оказывается неустойчивым, найдены границы устойчивости такого пламени. Получены оценки для фрактальной размерности самотурбу-лизующегося фронта пламени.
Практическая ценность работы
Теория динамики и устойчивости искривлённых ламинарных пламён, развитая в настоящей диссертации, составляет основу для понимания распространения турбулентного пламени в двигателях внутреннего сгорания и в газовых турбинах самолётов. Теория предсказывает характерное увеличение скорости ламинарного пламени за счёт искривлённой формы фронта в открытых трубах как для быстрого пламени при малом влиянии поля тяжести, так и для медленного пламени, когда эффект поля тяжести становится доминирующим. Теория описывает границы устойчивости искривлённого пламени в широких трубах и объясняет спонтанную турбулизацию ламинарного фронта пламени. Теория даёт оценки для динамики пламени в случае закрытой камеры сгорания, границы устойчивости при взаимодействии пламени со звуковыми волнами, а также условие дестабилизации пламени ударной волной. Развитая теория хорошо объясняет результаты многих экспериментов по распространению пламени в открытых и закрытых трубах, а также по взаимодействию пламени со звуковыми и ударными волнами.
Апробация работы
Результаты диссертации докладывались на следующих конференциях и семинарах:
6-ая Всесоюзная конференция по взаимодействию плазмы с электромагнитным излучением (Душанбе, 1991)
Конференция по вопросам горения FORPEX-92 (Goteborg, Sweden, 1992)
Ежегодное заседание Американского Физического Общества,
отделение динамики жидкости, 1992
Ежегодное заседание Американского Физического Общества,
отделение физики плазмы, 1993
Конференция по явлениям в ионизованном газе (Ruhr-Bochum,
Germany, 1993).
Конференция по ударным волнам в астрофизике (Manchester.
UK, 1995)
Ежегодная конференция по проблемам горения в двигателях
NUTEK - 95 (Saltsjobaden, Sweden, 1995)
Конференция по термоядерным сверхновым (Barcelona, Spain,
1995)
Ежегодная конференция по проблемам горения в двигателях
NUTEK - 96 (Stockholm, Sweden, 1996)
Ежегодная конференция по проблемам горения в двигателях
NUTEK - 97 (Stockholm, Sweden, 1997)
Конференция по фракталам в различных областях науки
(Valetta, Malta, 1998)
Конференция по динамике взрывов и реагирующих систем
(Heidelberg, Germany, 1999)
Научные семинары Московского Физико-Технического
Института, Института Прикладной Математики РАН.
Уппсальского университета (Uppsala, Sweden), Университета
Умео (Umea, Sweden), Карлстадского университета (Karlstad,
Sweden), Университета Эссекса (Colchester, UK).
Публикации автора по теме диссертации
[1] V.V. Bychkov, M.A. Liberman, A.L Velikovich, Analytic solutions for Rayleigh-Taylor growth rates in smooth density gradients II Phys. Rev. A, 1990, vol. 42, № 8, pp. 5031 - 5032.
[2] Бычков В.В., Гольберг СМ., Либерман М.А., Рост Рэлей Тэйло-ровских неустойчивостей в неоднородной абляционно ускоряемой плазме // ЖЭТФ, 1991, т. 100, № 10, с. 1162 -1185.
[3] Либерман М.А., Бычков В.В., Гольберг СМ., Об устойчивости пламени в поле тяжести // ЖЭТФ, 1993, т. 104, № 8, с. 2685 -2703.
[4] Bychkov V.V., Golberg S.M., Liberman М.A., On the stability of combustion and laser-produced ablation fronts II Phys. Fluids B,
1993, vol. 5, № 10, pp. 3822 - 3824.
[5] Liberman M.A., Bychkov V. V., Golberg S.M., Book D.L, Stability of a planar flame front in a slow-combustion regime II Phys. Rev. E,
1994, vol. 49, № 1, pp. 445 - 457.
[6] Bychkov V. V., Golberg S.M, Liberman M.A., Self-consistent model of the Rayleigh-Taylor instability in ablatively accelerated laser plasma II Physics of Plasmas, 1994, vol. 1, № 9, pp. 2976 - 2986.
[7] Bychkov V.V., Liberman M.A., Stability of solid propellant
combustion II Phys. Rev. Lett., 1994, vol. 73, № 14, pp. 1998-2000.
[8] Bychkov V.V., Liberman M.A., Hydrodynamic instabilities of the flame front in white dwarfs II Astron. Astroph., 1995, vol. 302, pp. 727 - 734.
[9] Bychkov V.V., Liberman M.A., On the theory of type la supernova events II Astron. Astroph., 1995, vol. 304, pp. 440 - 448.
[10] Bychkov V.V., Liberman M.A., On the self-consistent theory of white dwarf burning in supernova la events II Astroph. Sp. Sci., 1995, vol. 233, pp. 287-292.
[11] Bychkov V.V., Liberman M.A., Thermal instability and pulsations of the flame front in white dwarfs II Astroph. J., 1995, vol. 451, № 2, pp. 711-716.
[12] Bychkov V. V., Liberman M.A., Stability and the fractal structure of a spherical flame in a self-similar regime II Phys. Rev. Lett., 1996, vol. 76, №15, pp. 2814-2817.
[13] V.V. Bychkov, M.A. Liberman, Rame instabilities and models of white dwarf burning II in «Thermonuclear Supernovae», ed. P. Ruiz-Lapuente, R. Canal, J. Isern; Dordrecht: Kluwer, 1996, p.p. 379-388.
[14] Bychkov V.V., Golberg S.M., Liberman M.A., L.E. Eriksson,
Propagation of curved stationary flames in tubes II Phys. Rev. E, 1996, vol. 54, № 4, pp. 3713 - 3724.
[15] Bychkov V.V., Liberman M.A., On the dynamics of a curved deflagration front IIЖЭТФ, 1997, т. Ill, № 2, с 514 - 527.
[16] Bychkov V.V., Bubble motion in a horizontal tube and the velocity estimate for curved flames II Phys. Rev. E, 1997, vol. 55, № 6, pp. 6898-6901.
[17] Bychkov V.V., Liberman M.A., Stability of a flame in a closed
chamber II Phys. Rev. Lett., 1997, vol. 78, № 7, pp. 1371 -1374.
[18] Bychkov V.V., Kleev A.I., Liberman M.A., Golberg S.M., Three-dimensional curved flames: stationary flames in cylindrical tubes II Phys. Rev. E, 1997, vol. 56, № 1, pp. R36 - R39.
[19] Bychkov V.V., Golberg S.M., Liberman M.A., Kleev A.I., Numerical simulation of curved flames in cylindrical tubes II Comb. Sci. Tech., 1997, vol. 129, pp. 217 -242.
[20] Travnikov 0. Yu., Liberman M.A., Bychkov V. V., Stability of a planar flame front in a compressible flow II Phys. Fluids, 1997, vol. 9, № 12, pp. 3935-3937.
[21] Bychkov V.V., Kleev A.I., Liberman M.A., A thin front model applied to flame propagation in tubes If Comb. Flame, 1998, vol. 113, pp. 470 -472.
[22] Bychkov V. V., Nonlinear equation for a curved stationary flame and the flame velocity II Phys. Fluids, 1998, vol. 10, N 8, pp. 2091 -2098.
[23] Liberman M.A., Bychkov V.V., Golberg S.M., Eriksson L.E.,
Numerical studies of curved flames under confinement II Comb. Sci. Tech., 1998, vol. 136, pp. 221 - 251.
[24] Kriminski S.A., Bychkov V.V., Liber/nan M.A., On the stability of thermonuclear detonation in supernova events II New Astron., 1998, vol. 3, pp. 363 - 377.
[25] Bychkov V.V., Stabilization of the hydrodynamic flame instability by a weak shock II Phys. Fluids, 1998, vol. 10, № 10, pp. 2669 - 2675.
[26] Travnikov O. Yu., Bychkov V.V., Liberman M.A., Influence of compressibility on propagation of curved flames II Phys. Fluids, 1999, vol. 11, №9, pp. 2657-2666.
[27] Travnikov O. Yu., Bychkov V. V., Liberman M.A., Interaction of curved flames and weak shocks II Comb.Sci.Tech., 1999, vol. 142, pp. 1 - 28.
[28] Bychkov V.V., Analytical scalings for flame interaction with sound waves II Phys. Fluids, 1999, vol. 11, № 10, pp. 3168 - 3173.
[29] Bychkov V.V., Kleev A.I., The nonlinear equation for curved flames applied to the problem of flames in cylindrical tubes II Phys. Fluids, 1999. vol. 11. № 7. pp. 1890 - 1895.
[30] Bychkov V.V., Kovalev K.A., Liberman M.A., Nonlinear equation for curved nonstationary flames and flame stability II Phys. Rev. E, 1999, vol. 60, №3, pp. 2897- 2911.
[31 ] Travnikov O. Yu., Bychkov V. V., Liberman M.A., Numerical studies of flames in wide tubes// Phys. Rev. E, 2000, vol. 61, № 1, pp. 468-474.
[32] Bychkov V.V., Liberman M.A., Dynamics and stability of premixed names// Phys. Reports, 2000, vol. 325, № 4, pp. 115-237.
Личный вклад автора
Все аналитические результаты диссертации были получены непосредственно автором. В случае численных работ автору принадлежи! постановка задачи, обработка и физическая интерпретация полученных данных и научное руководство работой.
Структура и объём диссертации
Диссертация состоит из введения, 11 глав и заключения. Общий объём работы составляет 301 страницу, включая 72 рисунка. Библиография насчитывает 184 цитированных источника.
