авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Взрывные и детонационные процессы в каналах и открытом пространстве

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. M.В. Ломоносова

На правах рукописи

МАНУЙЛОВИЧ Иван Сергеевич

ВЗРЫВНЫЕ И ДЕТОНАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В

КАНАЛАХ И ОТКРЫТОМ ПРОСТРАНСТВЕ

Специальность 01.02.05 – механика жидкости, газа и плазмы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Москва – 2010

Работа выполнена на кафедре гидромеханики механико-математичес кого факультета и в лаборатории газодинамики взрыва и реагирую щих систем Института механики Московского государственного уни верситета им. М.В. Ломоносова.

Научные руководители: академик РАН, доктор физико-математических наук, профессор В.А. Левин, доктор физико-математических наук В.В. Марков

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук И.С. Меньшов, доктор физико-математических наук, профессор Н.Н. Смирнов

Ведущая организация: Вычислительный центр им. А.А. Дородницына РАН (г. Москва)

Защита состоится 15 октября 2010 г. в 15 часов на заседании диссер тационного совета Д.501.001.89 при Московском государственном уни верситете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119899, г. Москва, Ленин ские горы, Главное здание МГУ, аудитория 16-24.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке механико математического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.

Автореферат разослан “ ” сентября 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д.501.001.89, доктор физико-математических наук А.Н. Осипцов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время в связи с попытками использования детонационного горения в энергетических установках широко исследуются фундаментальные проблемы детонации в мно гомерных постановках и нестационарных условиях. Основные зада чи, которые необходимо решить для практических целей, — иниции рование детонации и ее стабилизация в движущейся горючей смеси.

В настоящей работе рассматриваются проблемные задачи, которые, в основном, связаны с разработкой современных двигательных систем, реализующих высокоскоростное сжигание топлива. В этой связи несо мненный интерес представляют вопросы новых способов инициирова ния и стабилизации детонации в условиях ограниченного пространства камеры сгорания. Ранее детально не исследовались вопросы иницииро вания детонации в сверхзвуковом потоке горючей смеси без использо вания внешних источников энергии применительно к детонационным двигателям. Остались нерешенными фундаментальные вопросы фор мирования и распространения ячеистой детонации.

Потребность в настоящих исследованиях возникла в связи с прак тической необходимостью выполнения проектов в рамках РФФИ, на учной школы и программ Президиума и отделения ОЭММПУ РАН.

Теоретическое исследование потребовалось и в связи с эксперимента ми, проводившимися в ИОФ РАН, по использованию тороидального электрического разряда для инициирования горения и детонации, по скольку неясными для экспериментаторов оставались наблюдаемые ими эффекты газодинамического и физико-химического характера.

Наконец, давно стоял вопрос о моделировании газодинамических про цессов в импульсной установке НИИ механики МГУ, предназначенной для исследования функционирования двигательного устройства ново го типа, сочетающего в себе возможности сжигания топлива в высоко скоростном режиме и возможности соплового устройства. В проводив шихся ранее исследованиях методами вычислительного эксперимента выставлялись звуковые граничные условия на кольцевом радиальном сопле, которые могли приводить к результатам, не соответствующим реальным нестационарным условиям течения.

Эффективно решить сложные задачи газодинамики реагирующих сред можно лишь с использованием современной быстродействующей вычислительной техники и вычислительных комплексов, в которых реализованы виртуальные условия реальных физико-химических про цессов. Следует отметить, что в настоящее время воплощается в жизнь идея компьютерного моделирования вновь создаваемых реальных объ ектов в реальных условиях их функционирования, в частности, воз душных и морских судов, наземного транспорта и других систем. Пред полагается, что в будущем конструкторская разработка, выбор мате риалов, испытания готового изделия будут проводиться виртуально на высокопроизводительных вычислительных системах. В настоящее вре мя специалистами используются пакеты программ зарубежного про изводства, в которых содержится устаревшая математическая и вы числительная база. Они, как правило, не позволяют решать задачи, связанные с течениями реагирующих газовых смесей, и моделировать процессы в камерах сгорания современных двигателей и энергетиче ских установок, в которых реализуется эффективный высокоскорост ной детонационный режим сжигания топлива. Это может быть связа но с опасением производителей программ относительно использования их продукта в военных целях. Так или иначе, но в результате мы не имеем возможности использовать зарубежные продукты в научных исследованиях и для решения конкретных прикладных задач. В ряде случаев, как показывает практика, известные зарубежные программы дают сомнительные результаты, особенно при сложной геометрии ис следуемого объекта. В этой связи возникает необходимость в создании отечественных вычислительных комплексов, не уступающих зарубеж ным аналогам.

Цель работы можно сформулировать следующим образом.

• Применить модель бесконечно тонкой волны детонации и модель одностадийной кинетики горения для исследования процессов инициирования, стабилизации и распространения волн детона ции.

• Получить данные о влиянии формы цилиндрической камеры сго рания пульсирующего детонационного двигателя на его тяговые характеристики.

• Показать возможность стабилизации волны детонации в сверх звуковом потоке в каналах переменного сечения.

• Рассмотреть в корректной математической постановке при пря мом инициировании процесс формирования ячеистой структуры детонации в плоских каналах постоянной ширины, в каналах с клиновидным расширением и за цилиндрической расходящейся волной детонации в неограниченном пространстве.

• Исследовать возможность и условия инициирования детонации на уступе в сверхзвуковом потоке в камере сгорания конечного размера.

• Рассмотреть в двумерной постановке новые оригинальные мето ды инициирования детонации, связанные с движением твердых поверхностей, ограничивающих область течения.

• Теоретически исследовать особенности течения инертных и хи мически активных сред при тороидальном электрическом раз ряде.

• Рассмотреть течения в замкнутом пространстве эксперименталь ной установки НИИ механики МГУ для определения реальных нестационарных процессов и дать оценку правомерности исполь зования при численных расчетах звуковых условий на кольцевом сопле.

Для достижения указанных целей возникла необходимость в разработ ке вычислительного комплекса с удобным интерфейсом, позволяющим оперативно ставить задачи и решать их на персональном компьютере за приемлемое время.

Научная новизна. Предложен ряд постановок новых задач и про ведено их детальное исследование:

• С использованием модели бесконечно тонкой волны детонации выполнена оптимизация рабочего цикла детонационного двига теля.

• Оригинальным аналитическим методом и численно показана воз можность стабилизации бесконечно тонкой волны детонации в сверхзвуковом потоке в канале переменного сечения.

• Впервые в корректной постановке получены результаты по фор мированию ячеистой детонации в каналах постоянной ширины, в каналах с клиновидным расширением и двумерной расходящейся волны при прямом инициировании.

• Впервые исследован процесс инициирования детонации в сверх звуковом потоке стехиометрической пропановоздушной смеси, за полняющей поперечное сечение плоского канала частично или полностью, без подвода энергии извне, а за счет уступа или стен ки, полностью перекрывающей канал. Получена полная картина развития процесса, позволившая обнаружить несколько режи мов течения и определить критические значения параметров, при которых один режим сменяется другим. В частности, обнаружен неизвестный ранее галопирующий режим распространения сло истой детонации и дано его объяснение.

• Впервые сформулированы и исследованы задачи о детонации пропановоздушной смеси во вращающихся каналах и каналах с изменяющейся формой стенок. Получены детальные картины те чения и определены критические условия инициирования детона ции. Представлена аналогия, которая дает возможность исполь зовать решения плоских задач при исследовании сверхзвуковых течений в трехмерных каналах специальной формы.

• Впервые изучено инициирование детонации в метанокислород ной смеси кольцевым электрическим разрядом. Получены зна чения критической энергии прямого инициирования, а при до критических энергиях обнаружен высокоскоростной режим рас пространения горения, связанный с его турбулизацией. Во всех рассмотренных случаях выявлен уникальный режим отражения тороидальных скачков уплотнения от оси симметрии, связанный с формированием высокоскоростной струи.

• Впервые проведено численное моделирование нестационарных волновых процессов в замкнутом пространстве эксперименталь ной установки НИИ механики МГУ, позволившее выявить осо бенности развития течения без дополнительного стационарного звукового условия на кольцевом сопле и показать несоответствие этого условия реальному процессу.

Разработан вычислительный комплекс с современным интерфей сом, позволяющий оперативно ставить и решать широкий круг одно мерных и двумерных задач газовой динамики химически активных смесей.

Практическая ценность. Постановки рассмотренных в работе задач, методики их решения и конкретные результаты могут быть ис пользованы при разработке элементов двигательных систем и изделий в целом, в которых реализуется высокоэффективный детонационный режим сжигания топлива. В частности, это касается устройств для инициирования детонации и ее стабилизации в камере сгорания. Раз работанный автором и примененный для решения конкретных задач вычислительный комплекс может быть использован при решении ши рокого круга проблем научного и прикладного характера.

Научная ценность заключается в разработке метода исследова ния с использованием современных подходов организации вычисли тельных процессов на персональных компьютерах и в полученных кон кретных результатах по рассмотренным задачам, которые являются определенным вкладом в развитие теории многомерных детонацион ных волн.

Достоверность полученных результатов подтверждается исполь зованием известных математических моделей, апробированных мето дов исследований и сравнением результатов, полученных численно и аналитически.

Апробация работы. Основные результаты работы докладыва лись на международных, всероссийских и отраслевых конференциях:

6-м международном коллоквиуме по непрерывной и пульсирующей де тонации ICPCD 2008 (Москва, 2008);

27-м международном симпозиу ме по ударным волнам ISSW-27 (Санкт-Петербург, 2009);

Междуна родном коллоквиуме по газодинамике взрыва и реагирующих систем ICDERS 2009 (Минск, 2009);

Международной конференции “Забаба хинские научные чтения” ЗНЧ-2010 (Снежинск, 2010);

Всероссийской конференции “Современные проблемы механики сплошной среды”, по священной памяти академика Леонида Ивановича Седова в связи со столетием со дня его рождения (Москва, 2007);

Всероссийской кон ференции “Новые математические модели механики сплошных сред:

построение и изучение”, приуроченной к 90-летию академика Л.В. Ов сянникова (Новосибирск, 2009);

Всероссийской конференции “Механи ка и наномеханика структурно-сложных и гетерогенных сред. Успе хи, проблемы, перспективы” (Москва, 2009);

Открытой конференции конкурсе молодых ученых НИИ механики МГУ (2006, 2007, 2009);

На учной конференции МГУ “Ломоносовские чтения”, секция механики (2009, 2010);

52-й научной конференции МФТИ — Всероссийской моло дёжной научной конференции с международным участием “Современ ные проблемы фундаментальных и прикладных наук” (2009);

XXXIV академических чтениях по космонавтике, посвященных памяти ака демика С.П. Королёва и других выдающихся отечественных учёных пионеров освоения космического пространства, — “Королёвские чте ния” (Москва, 2010);

VII международной конференции, посвященной 110-летию со дня рождения академика М.А. Лаврентьева, — “Лаврен тьевские чтения” (Новосибирск, 2010).

Результаты работы обсуждались на двух специализированных на учных семинарах: семинаре кафедры гидромеханики механико-мате матического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова и видеосеминаре ЦАГИ (2010).

Публикации по теме диссертации. Основные результаты дис сертации опубликованы в работах [1–11]. Статьи [1–5] опубликованы в журналах, входящих в перечень ВАК на момент публикации.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. В работе содержится 64 рисунка, 1 таблица и 96 библиографических ссылок. Общий объем диссертации составляет 133 страницы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе представленной работы описана используемая ма тематическая модель течений с ударными и детонационными волнами.

Она основана на уравнениях Эйлера в плоской и осесимметричной гео метрии для многокомпонентных реагирующих смесей. Используется одностадийная химическая кинетика горения различных углеводоро дов, по которым имеются надежные экспериментальные данные. При ведены граничные условия, используемые при решении задач. Условие на подвижной детонационной волне, описываемой моделью бесконеч но тонкой волны детонации, требует решения автомодельной задачи о распаде разрыва, разделяющего инертный газ и горючую смесь. В первой главе решение этой задачи подробно рассмотрено. В зависимо сти от начальных условий реализуется одна из пяти возможных кон фигураций с детонационной волной, распространяющейся по горючей смеси: с пересжатой волной детонации и ударной волной или волной разрежения в инертном газе;

с волной Чепмена-Жуге и ударной вол ной или волной разрежения в инертном газе;

с волной Чепмена-Жуге, волной разрежения в инертном газе и вакуумом между ними.

Во второй главе подробно рассмотрен численный метод реше ния задач, основанный на схеме Годунова первого порядка точности по пространству и времени, и его реализация в вычислительном ком плексе, предназначенном для решения широкого круга задач газовой динамики реагирующих газовых смесей.

Численная схема описывается сначала для квазиодномерных тече ний инертных однокомпонентных сред (§1). Затем изложены принци пы построения расчетных сеток, используемых для построения дву мерной схемы Годунова (§2). В областях течения сложной формы используются многоблочные сетки, состоящие из криволинейных че тырехугольных блоков. Границы блоков задаются параметрически на единичном отрезке в виде функций координат. Такой подход позво ляет производить расчеты течений в областях любой формы. Далее в §3 изложена схема расчетов двумерных течений инертных однокомпо нентных сред. Отмечены особенности реализации различных гранич ных условий. Затем в §4 описываются изменения схемы, необходимые для проведения расчетов многокомпонентных реагирующих смесей.

В §5 второй главы дано краткое описание возможностей разрабо танного вычислительного комплекса, перечислены основные функции графического интерфейса (рис. 1). В вычислительном комплексе ре Рис. 1. Интерфейс вычислительного комплекса ализована возможность задания начальных и граничных условий, а также границ области течения и расчетных блоков в виде математи ческих функций, вводимых пользователем символьно в программе. Та кой подход значительно расширяет круг решаемых комплексом задач и ускоряет процесс подготовки расчетов и модификации их парамет ров.

В §6 второй главы приведен результат верификации расчетных алгоритмов на классической задаче о распаде разрыва.

В третьей главе исследуются задачи с ударными и детонацион ными волнами, описываемыми моделью бесконечно тонкой детонаци онной волны.

В §1 третьей главы моделируется рабочий цикл пульсирующего детонационного двигателя (рис. 2). В рамках модели бесконечно тон кой волны детонации изучаются автомодельные и неавтомодельные Рис. 2. Схема камеры сгорания детонационного двигателя течения в осесимметричном канале конечной длины и переменного поперечного сечения, возникающие при распространении детонации от закрытого конца канала. Используются аналитические и числен ные методы. Исследуются зависимости среднего импульса и средне го удельного импульса от формы боковой стенки канала. Найдены оптимальные формы, отвечающие макси мальным тяговым характеристикам рабо чего цикла (рис. 3). Для классов кониче ских и клиновидных стенок канала най дены углы полураствора, соответствую щие максимуму среднего импульса. Для конуса он составляет 60°, а для клина — 66.8°. Рассмотрена также задача о рас пространении взрывной ударной волны в конусе и клине. Оказалось, что средний удельный импульс достигает максимума при угле arccos(1/3) 70.5° для кону Рис. 3. Оптимальные са и 66.8° для клина. Разработанная ме формы в классах тодика и полученные данные могут ис конических и пользоваться для оценки тяговых харак параболических стенок теристик пульсирующего детонационного двигателя.

В §2 третьей главы модель бесконечно тонкой волны детонации с постоянным тепловыделением используется для анализа проблемы стабилизации детонации в сверхзвуковом потоке в канале переменного сечения, который моделирует камеру сгорания. Аналитически и чис ленным методом показана возможность стабилизации волны детона ции, т.е. существование устойчивого стационарного течения. Аналити ческий анализ основан на введении плоскости переменных “площадь сечения – число Маха” (рис. 4) и позволяет выделить целый спектр положений волны детонации в канале, при которых реализуется ста ционарное течение. Устойчивость стационарного потока по отношению Рис. 4. Диаграмма параметров, к малому возмущению величины тепловыделения проанализирована численно. Показано, что волна устойчива и процесс стабилизируется, если она находится в расширяющейся по потоку части канала (рис. 5).

Рис. 5. Схема канала. I — неустойчивое положение детонационной волны, II — устойчивое В четвертой главе рассмотрен ряд задач о структуре, иниции ровании, стабилизации и распространении детонации с учетом конеч ной скорости протекания химических реакций в рамках одностадийной кинетики горения. Исследование проводится с использованием ориги нального вычислительного комплекса, основанного на схеме Годунова и описанного во второй главе.

В §1 четвертой главы представлены результаты моделирования ячеистой детонации в пропановоздушной смеси. Рассмотрено 3 слу чая — ячеистая детонация в канале постоянной ширины;

детонация в канале, состоящем из участка постоянной ширины и части с клино видным расширением;

двумерное расходящееся течение за цилиндри ческой волной детонации. В канале постоянной ширины наблюдается Рис. 6. Следы тройных точек в канале постоянной ширины регулярная ячеистая структура (рис. 6). Для расширяющегося канала получена нерегулярная ячеистая структура детонации с увеличением числа ячеек поперек канала (рис. 7). В случае цилиндрической волны Рис. 7. Следы тройных точек в расширяющемся клиновидном канале с углом раствора 2.3° детонации моделируется процесс инициирования детонации в узком зазоре между пластинами, куда через круглое отверстие проникает плос кая волна детонации, сфор мированная в трубке, при соединенной под прямым углом к пластине (рис. 8а).

Такое инициирование име ло место в эксперимен те, проведенном Р.И. Соло ухиным. Возникающая при этом ячеистая структура детонации (рис. 8б) полно Рис. 8. Схема и результат эксперимента стью смоделирована в про веденных расчетах. Как в экспериментах, так и в расчетах наблюдалась однородная и неоднород ная ячеистая структура. На рис. 9 представлена однородная картина следов тройных точек, полученная в расчете. Видно хорошее соответ ствие с ячеистой структурой, полученной в эксперименте и представ ленной на рис. 8б.

Рис. 9. Следы тройных точек за расходящейся цилиндрической волной детонации при численном моделировании При недостаточной интенсивности волны детонации в трубке рас ходящаяся цилиндрическая детонация на начальной стадии имеет тен денцию к затуханию, о чем свидетельствует неоднородная следовая картина. Затем детонация переходит в самоподдерживающийся режим с ячеистой структурой. Эту ситуацию иллюстрирует рис. 10, где пред ставлены следовые картины, полученные в расчете и эксперименте.

(а) (б) Рис. 10. Следы тройных точек за расходящейся цилиндрической волной детонации при тенденции затухания на начальной стадии.

Результаты расчета (а) и эксперимента (б) В §2 рассматриваются задачи об инициировании детонации в сверх звуковом потоке стехиометрической пропановоздушной смеси, запол няющей плоский канал в поперечном направлении частично или пол ностью. Инициирование в потоке происходит за счет уступа или стен ки, полностью перекрывающей канал. Обнаружен неизвестный ранее механизм распространения детонации, связанный с наличием горю чей смеси в пристеночном слое под слоем инертного газа. Он обу словлен сложной волновой структурой течения, для которой харак терно проникновение ударной волны, формирующейся в слое инерт ного газа, в слой горючей смеси перед волной детонации, в результа те чего смесь прогревается и воспламеняется. Процесс в целом но сит периодический характер, отличный от обычной ячеистой дето нации в однородной среде. Новый режим распространения детона ции определен как галопирующая слоистая детонация. Установлено существование критических значений числа Маха набегающего пото ка, от которых зависит качественная и количественная картина тече ния. В случае, когда горючая смесь втекает по всему входному сече нию, получены два различных режима детонации — один со стацио нарной волной на уступе, а другой — с волной, распространяющейся ко входному сечению канала. В случае слоя горючей смеси в зависи мости от числа Маха набегающего потока реализуются три режима детонации. Один — со ста ционарной волной на уступе (рис. 11, на котором 1 — дето национная волна, 2 — примы кающая к ней ударная волна в воздухе, 3 — отраженная от верхней стенки ударная вол на, 4 — маховская ножка, 5 — отраженная от нижней стен ки ударная волна, 6 — грани ца струи), а два других — с Рис. 11. Изобары при стационарной детонации для = 7. волной, распространяющейся ко входному сечению канала в виде либо стационарного волнового комплекса (рис. 12, на котором 1 — детонационная волна, 2 — примыкающая к ней ударная волна в воз духе, 3 — ударная волна, распространяющаяся за головным фронтом, 4 — граница струи), либо в режиме галопирующей слоистой детона ции (рис. 13). Если все сечение канала перекрывается плоской стенкой, то наблюдаются те же режимы распространения детонации (рис. 14), за исключением стационарного. Проведенные исследования позволя ют сделать вывод, что галопирующая слоистая детонация реализуется Рис. 12. Изотермы при распространении стационарного волнового комплекса для = только благодаря ограниченности канала в поперечном направлении.

Рис. 13. Фронты волн и поля температуры в несколько моментов времени, иллюстрирующие фазы галопирующей детонации в канале с уступом Рис. 14. Поля температуры при галопирующей детонации в перегороженном канале В §3 четвертой главы рассматривается ряд задач об инициирова нии детонации во вращающихся каналах и каналах с изменяющейся формой стенок:

• формирование детонации в пропановоздушной смеси, находящей ся внутри вращающегося эллиптического цилиндра (рис. 15);

Рис. 15. Схема, иллюстрирующая постановку задачи о детонации внутри вращающегося эллиптического цилиндра • детонация смеси вне вращающегося эллиптического цилиндра, заключенного в круговой цилиндр (рис. 16);

Рис. 16. Поле температуры при детонации внутри и вне вращающегося эллиптического цилиндра, заключенного в круговой цилиндр • инициирование детонации внутри вращающегося кругового ци линдра с уступами параболической формы, равномерно распре деленными по его внутренней границе (рис. 17);

Рис. 17. Поле температуры во вращающемся круговом цилиндре с препятствиями параболической формы, равномерно распределенными по его внутренней границе • возникновение детонации внутри кругового цилиндра за счет вращения вокруг его оси звездообразной фигуры с лучами па раболической формы (рис. 18);

Рис. 18. Поле температуры в круговом цилиндре, внутри которого вращается звездообразная фигура • формирование детонации при деформировании стенки канала параболической формы по синусоидальному закону (рис. 19);

Рис. 19. Поле температуры и изотермы в области с параболической стенкой, испытывающей гармонические колебания • детонация в квадратной и круглой камерах, размер которых из меняется по гармоническому закону (рис. 20).

Рис. 20. Поле температуры и изотермы в квадратной области с изменяющейся по синусоидальному закону длиной стороны Во всех рассмотренных задачах определены значения критических параметров, при которых формируется детонация, и получена деталь ная картина течения, позволяющая выявить особенности возникнове ния детонации при движении границ области, содержащей горючую смесь. Представлена аналогия, которая дает возможность использо вать решения перечисленных плоских задач при исследовании сверх звуковых течений в трехмерных каналах специальной формы, получа емой при вращении или деформировании границы области течения и ее одновременном перемещении вдоль оси, перпендикулярной плоско сти границы. В случае вращения соответствующий трехмерный канал имеет винтовую форму. Отмеченная аналогия, основанная на гипоте зе плоских сечений, применима, если шаг винта канала много боль ше размеров его поперечного сечения, т.е. размеров соответствующей плоской области.

В §4 рассматривается задача об инициировании детонации кольце вым электрическим разрядом в метанокислородной смеси. При расче тах течения, возникающего при различных энергиях разряда, найде на величина критической энергии прямого инициирования. Согласно расчетам, при отражении от оси симметрии первоначального торои дального скачка, представляющего собой детонационную волну при сверхкритической энергии разряда и ударную волну при докритиче ской энергии, формируется течение с высокоскоростной струей у оси симметрии, перед которой как перед движущимся с большой скоро Рис. 21. Поле давления при отражении волны от оси симметрии стью телом распространяется присоединенная коническая детонаци онная или ударная волна. Фронты волн, отделяющие область течения от покоящейся горючей смеси, образуют комплекс, состоящий из па дающей тороидальной волны и диска Маха, из которого выступает ко нический скачок (рис. 21). В ограниченном пространстве цилиндриче ской трубы конечного размера при докритической энергии кольцевого разряда обнаружен высокоскоростной режим распространения горе ния, наблюдаемый в экспериментах (рис. 22). Это явление объясняется Рис. 22. Поле температуры (слева) и массовая доля метана (справа) на последней стадии горения турбулизацией горения, связанной с воздействием на его фронт систе мы ударных волн, возникающих благодаря осевой симметрии камеры сгорания и ее ограниченности в радиальном и осевом направлениях.

Фронт воспламенения, разделяющий газы с значительно отличающи мися плотностями, сильно деформируется, и распространение горения приобретает турбулентный характер.

В §5 четвертой главы представлены результаты численного мо делирования нестационарных волновых процессов в замкнутом про странстве экспериментальной установки НИИ механики МГУ (рис. 23), состоящей из шарообразного реактора, подводящего кольцевого кана ла, кольцевого сопла, полузамкнутой резонаторной полости, выходно го сопла и резервуара большого объема для выхлопа рабочего газа.

В вычислительных экспериментах форма и размеры расчетной обла сти полностью соответствовали реальной модели, что потребовало по строения сложной многоблочной расчетной сетки. Используемый при расчетах вычислительный комплекс позволил за приемлемое машин ное время на персональном компьютере получить в динамике неста Рис. 23. Схема установки Рис. 24. Поле температуры при * = 50 атм, * = 600 K для пропановоздушной смеси Рис. 25. Сила тяги как функция времени при четырех значениях начального давления в реакторе * ционарную картину течения: изменение со временем полей парамет ров потока (рис. 24), их зависимости от времени в заданных фикси рованных точках, а также интегральные характеристики, такие как сила, действующая на определенные элементы внутренней поверхно сти (рис. 25), в частности, на тяговую стенку установки. Установлено, что использование звукового условия на кольцевом сопле не соответ ствует реальному процессу, поскольку звуковая линия изменяет свое положение (рис. 26).

Рис. 26. Поле чисел Маха и звуковые линии при * = 50 атм, * = 600 K для пропановоздушной смеси В заключении диссертации подведены итоги работы и сформу лированы основные результаты и выводы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ • Проведено аналитическое и численное исследование течений с вол нами детонации в рамках модели бесконечно тонкой детонационной волны и с учетом одностадийной кинетики горения.

• Для численных расчетов сложных нестационарных течений разрабо тан оригинальный вычислительный комплекс с современным интер фейсом, который позволяет на персональном компьютере за прием лемое машинное время моделировать двумерные течения многоком понентной инертной и реагирующей среды в открытом пространстве и каналах со сложной геометрией.

• В рамках модели бесконечно тонкой волны детонации рассмотрены две задачи.

– В первой задаче проведена оптимизация рабочего цикла пульсиру ющего детонационного двигателя. Найдены оптимальные формы камеры сгорания, отвечающие максимальным тяговым характери стикам рабочего цикла двигателя. Для классов конических и кли новидных стенок найдены углы полураствора, соответствующие максимуму среднего импульса. Для конуса он составляет 60°, а для клина — 66.8°. Рассмотрена также задача о распространении взрыв ной ударной волны в конусе и клине. Показано, что средний удель ный импульс достигает максимума при угле arccos(1/3) 70.5° для конуса и 66.8° для клина. Разработанная методика и полученные данные могут использоваться для оценки максимально возможных тяговых характеристик пульсирующего детонационного двигателя.

– Во второй задаче оригинальным аналитическим методом и чис ленно показана возможность стабилизации детонационной волны в сверхзвуковом потоке в канале переменного сечения. Аналитиче ский анализ основан на введении плоскости переменных “площадь сечения–число Маха” и позволяет выделить целый спектр положе ний волны детонации в канале, при которых реализуется стацио нарное течение. Устойчивость стационарного потока по отношению к малому возмущению величины тепловыделения проанализиро вана численно. Показано, что волна устойчива и процесс стабили зируется, если она находится в расширяющейся по потоку части канала.

• В рамках одностадийной кинетики горения пропано- и метановоздуш ных смесей решен ряд задач о взрывных и детонационных волнах.

– Получена ячеистая структура двумерной цилиндрической расходя щейся волны детонации и волны детонации в каналах постоянной ширины и с клиновидным расширением.

– Рассмотрены задачи об инициировании детонации в сверхзвуковом потоке стехиометрической пропановоздушной смеси, заполняющей плоский канал в поперечном направлении частично или полностью.

Инициирование происходит за счет уступа или стенки, полностью перекрывающей канал. Обнаружено несколько режимов течения и получены значения критических параметров, разделяющие их.

В частности, обнаружен неизвестный ранее галопирующий режим распространения слоистой детонации и дано объяснение его меха низма.

– Рассмотрено несколько задач о детонации во вращающихся кана лах и каналах с изменяющейся формой стенок:

формирование детонации пропановоздушной смеси, находящей ся внутри вращающегося эллиптического цилиндра;

детонация смеси вне вращающегося эллиптического цилиндра, заключенного в круговой цилиндр;

инициирование детонации внутри вращающегося кругового ци линдра с уступами параболической формы, присоединенными к его внутренней границе;

возникновение детонации внутри кругового цилиндра за счет вращения вокруг его оси звездообразной фигуры с лучами па раболической формы;

детонация при деформировании со временем по синусоидально му закону стенки камеры, имеющей форму параболы;

детонация в квадратной и круглой камерах, размер которых из меняется со временем по гармоническому закону.

В результате численных расчетов получены детальные картины развития детонации и соответствующие им критические условия.

– Исследованы течения, возникающие при кольцевом электрическом разряде в метанокислородной смеси. Обнаружен наблюдающийся в экспериментах уникальный режим отражения ударных и детона ционных волн от оси симметрии. Получены значения критической энергии прямого инициирования детонации. В случае докритиче ских значений энергии разряда, происходящем в ограниченном объ еме, получен высокоскоростной режим распространения горения, связанный с его турбулизацией.

– Проведено численное моделирование нестационарных волновых про цессов в замкнутом пространстве экспериментальной установки ин ститута механики МГУ. При различных значениях определяющих параметров исследована динамика формирования течения и полу чены временные зависимости газодинамических параметров в за данных точках, соответствующих положению датчиков в экспе рименте, а также интегральные характеристики, такие как сила, действующая на определенные элементы внутренней поверхности.

Установлено, что звуковое условие на кольцевом сопле не соот ветствует реальному процессу, поскольку звуковая линия изменяет свое положение.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Левин В.А., Мануйлович И.С., Марков В.В. Новые эф фекты слоистой газовой детонации // Докл. акад. наук.

2010. Т. 430. № 2. С. 185–188.

2. Левин В.А., Мануйлович И.С., Марков В.В. Формирова ние детонации во вращающихся каналах // Докл. акад.

наук. 2010. Т. 432. № 6. С. 775–778.

3. Левин В.А., Мануйлович И.С., Марков В.В. Оптимиза ция тяговых характеристик пульсирующего детонацион ного двигателя // ФГВ. 2010. № 4. С. 56–63.

4. Левин В.А., Мануйлович И.С., Марков В.В. Иницииро вание детонации при вращении эллиптического цилин дра внутри кругового цилиндра и деформировании сте нок канала // ПМТФ. 2010. Т. 51. № 4. С. 17–25.

5. Левин В.А., Мануйлович И.С., Марков В.В. Особенно сти галопирующей детонации в сверхзвуковом потоке го рючей смеси под слоем инертного газа // Изв. РАН.

МЖГ. 2010. № 5. С. 166–174.

6. Мануйлович И.С. Распространение волны детонации в двумер ном канале переменного сечения // Труды конференции-конкур са молодых ученых, под редакцией Г.Г. Черного, В.А. Самсонова.

М.: Изд-во Моск. ун-та, 2007. С. 175–181.

7. Левин В.А., Мануйлович И.С. Оптимизация рабочего цикла пуль сирующего детонационного двигателя // Тезисы докладов на учной конференции “Ломоносовские чтения”, cекция механики.

М.: Изд-во Моск. ун-та, 2009. С. 102–103.

8. Левин В.А., Мануйлович И.С. Распространение волны детона ции в канале переменного сечения // Труды всероссийской кон ференции “Современные проблемы механики сплошной среды”, посвященной памяти академика Л.И. Седова в связи со столети ем со дня его рождения. 2007. С. 119–120.

9. Левин В.А., Мануйлович И.С., Марков В.В. Стабилизация де тонационной волны в сверхзвуковом потоке в каналах перемен ного сечения // Тезисы докладов международной конференции “Забабахинские научные чтения”. Изд-во РФЯЦ-ВНИИТФ, 2010.

С. 80–81.

10. Левин В.А., Мануйлович И.С., Марков В.В. Слоистая галопиру ющая детонация // Тезисы докладов международной конферен ции “Забабахинские научные чтения”. Изд-во РФЯЦ-ВНИИТФ, 2010. С. 112–113.

11. V.A. Levin, I.S. Manuylovich, V.V. Markov. Optimization of the PDE operating regime // Proceedings of the 22nd International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems.

Minsk, 2009. CD paper.



 




 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.