НАПРАВЛЕНИЕ 2 Физика и механика наноматериалов и микротечений

РАЗДЕЛ 4 Моделирование течений гетерогенных сред

Шифр:  2.4.3.29

Название проекта:  Изучение способов управления процессами горения и детонации газовых смесей с микро- и наночастицами

Код ГРНТИ:  Код ГРНТИ: 30.17.33, 30.51.23

Вид исследования:  Вид исследования: Фундаментальное научное исследование

Научный руководитель:  Бедарев И. А., канд. физ.-мат. наук

Исполнители:  Бедарев И. А., канд. физ.-мат. наук

Краткая аннотация:  Проект посвящен разработке математических моделей и вычислительных алгоритмов для описания процессов воспламенения, горения и детонации в смесях горючих газов и инертных/реагирующих нано- и микрочастиц. В рамках проекта предполагается проведение исследований, направленных на выявление тонких фундаментальных механизмов взрывных и детонационных явлений в газовых и дисперсных средах, что позволит создать научно обоснованные критерии их возникновения и управления (интенсификации, ослабления, подавления) ими. Разработанные математические модели, комплексы прикладных программ, методики использования стандартных пакетов для расчетов гетерогенных сред с привлечением и внедрением моделей детальной, редуцированной (полученной из детальной отбрасыванием малозначащих реакций) и приведенной кинетики, полученные научные результаты анализа изучаемых явлений могут служить основой для прикладных разработок и оценки взрыво- и пожаробезопасности производств. В качестве способа управления процессами горения и детонации газовых смесей предлагается использовать добавление в поток нано- и микродисперсных частиц. Инертные частицы используются для ослабления и подавления детонации. Реагирующие частицы могут служить источником воспламенения и интенсификации горения и детонации. Взрыв реакционноспособной газовой смеси в присутствии горючих частиц называется гибридной детонацией. Математическое моделирование данного явления затруднено наличием в смеси двух топлив, находящихся в разных фазовых состояниях, которые могут существенно различаться по своим характеристикам. Процесс взаимодействия несущей и гетерогенной фаз сопряжен с тепловой и скоростной релаксацией частиц, что может привести к наличию двух зон тепловыделения. Кроме того, существенно могут различаться характерные времена реакций для газовой и дисперсной фаз. Это приводят к немонотонности тепловыделения и увеличению ширины зоны реакции за ударным фронтом. Причем данные особенности будут зависеть и от используемого топлива, и от диаметра и сорта частиц. Таким образом, явление горения и детонации газовых смесей в присутствии реагирующих частиц до сих пор является нерешенной научной проблемой и представляет и фундаментальный интерес.

Ожидаемые результаты:  1. Будет разработана модель гибридной детонации водород-кислородных и водородовоздушных смесей в присутствии микро и нанодисперсных частиц алюминия в рамках приведенной кинетики горения частиц и окисления водорода. Будет выполнено развитие и усложнение моделей для описания ударно-волновых и детонационных явлений в смесях реагирующих газов и реагирующих частиц в рамках приведенной кинетики, объединяющей имеющиеся подходы для построения кинетики водород-содержащих смесей и горения микро- и нанодисперсных частиц алюминия. 2. Будет с помощью пользовательских функций выполнено расширение возможностей пакета ANSYS Fluent для моделирование горения микро- и наночастиц и разработана численная технология расчета процессов гибридной детонации в двумерной постановке. 3. Будут доработаны собственные программные комплексы на основе схем TVD и Джентри-Мартина-Дэйли для расчетов гибридной детонации в смесях газов и частиц алюминия в рамках моделей приведенной кинетики. 4. Будет проведена верификация и валидация численных технологий на задачах распространения плоских и ячеистых волн детонации в водородных смесях в присутствии частиц алюминия. Будут получены режимы распространения волн гетерогенной и гибридной детонации в этих смесях в зависимости от диаметра, объемной концентрации частиц в объемах различной геометрии. 5. Будет создана расчётная технологии моделирования взаимодействия одномерных и двумерных ячеистых детонационных волн с «пробками» инертных газов. Будут определены критические длины пробок различных инертных газов, приводящих к гашению детонационных волн. Будет выполнено сравнение результатов, полученных в одномерном и двумерном приближении, а также с использованием детальных и приведенных кинетических схем, которое позволит судить о применимости упрощенных подходов для анализа таких задач.