Диссертация (Численное моделирование детонации газокапельных смесей в каналах)

МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ(национальный исследовательский университет)На правах рукописиМоскаленко Ольга АлександровнаЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДЕТОНАЦИИГАЗОКАПЕЛЬНЫХ СМЕСЕЙ В КАНАЛАХСпециальность 01.02.05 – Механика жидкости, газа и плазмыДиссертация на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукНаучный руководительк.ф.-м.н., доцент.В.Ю. ГидасповМосква – 20162СОДЕРЖАНИЕВВЕДЕНИЕ .....................................................................................................................................................................3ГЛАВА 1.

КЛАССИЧЕСКИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ И ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ..................8ГЛАВА 2. ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ И ЧИСЛЕННЫЕ МЕТОДЫ . 152.1 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ................................................................................ 152.2 МОДЕЛЬ ТЕРМОДИНАМИКИ И ХИМИЧЕСКОЙ КИНЕТИКИ ....................................... 232.3 МОДЕЛЬ СОПРОТИВЛЕНИЯ И ТЕПЛОМАССООБМЕНА ИСПАРЯЮЩЕЙСЯ ЧАСТИЦЫ ИКОЭФФИЦИЕНТОВ МОЛЕКУЛЯРНОГО ПЕРЕНОСА ......................................................... 262.4 ЧИСЛЕННЫЕ МЕТОДЫ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ АЛГОРИТМЫ ..................................... 32ГЛАВА 3.

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СТАЦИОНАРНЫХДЕТОНАЦИОННЫХ ВОЛН В ГАЗОВЫХ И ГАЗОКАПЕЛЬНЫХ РЕАГИРУЮЩИХСМЕСЯХ........................................................................................................................................................................ 393.1 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КАПЕЛЬ ВОДЫ НА ПАРАМЕТРЫДЕТОНАЦИОННЫХ ВОЛН В ГОРЮЧИХ ГАЗОВЫХ СМЕСЯХ ............................................ 393.1.1 Смесь водорода с кислородом ...................................................................... 393.1.2 Смесь водорода с воздухом .......................................................................... 463.1.3 Смесь метана с воздухом ..............................................................................

613.2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕТАНОЛО-ВОЗДУШНОЙ ГАЗОКАПЕЛЬНОЙГОРЮЧЕЙ СМЕСИ ....................................................................................................... 723.3 ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3.............................................................................................. 83ГЛАВА 4. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СТАЦИОНАРНЫХ ВОЛН ГОРЕНИЯИ ДЕТОНАЦИИ В КЕРОСИНО-ВОЗДУШНОЙ ГОРЮЧЕЙ СМЕСИ................................. 844.1.

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА УГЛЕВОДОРОДНЫХ ТОПЛИВ (МЕТОДИКАВОССТАНОВЛЕНИЯ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ) ............................................... 854.2. ХИМИЧЕСКИЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В ГАЗОВОЙ ФАЗЕ ................................................. 1004.3 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СТАЦИОНАРНЫХ ВОЛН ДЕТОНАЦИИ ИДЕФЛАГРАЦИИ В ГАЗОКАПЕЛЬНОЙ КЕРОСИНО-ВОЗДУШНОЙ СМЕСИ ......................... 1024.4. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДЕТОНАЦИИ КЕРОСИНА В ВОЗДУХЕ В МОДЕЛЬНОЙУДАРНОЙ ТРУБЕ ....................................................................................................... 1094.5 ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 4............................................................................................

112ЗАКЛЮЧЕНИЕ ...................................................................................................................................................... 115СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ......................................................................................... 1173ВведениеАктуальность темыСистематическое экспериментальное и теоретическое изучение детонацииначалось в конце 19 века.Спятидесятых годов 20 века активно развивается теориямногомерной детонации газовых, газокапельных и газодисперсных смесей.Большой научный и практический интерес к изучению высокоскоростногогоренияидетонациинеобходимостьюгазокапельныхсозданиясистемгорючихсмесейвзрывобезопасности,связан,какнаправленныхснаподавление детонации (при взрывах на угольных шахтах, в промышленности приобразовании реагирующих пылей, в двигателях внутреннего сгорания, наатомныхстанциях и др.), так и с желанием научиться управлять детонационнымгорением при создании перспективных технологических и энергетическихустановок (установки детонационно-газового напыления, объемные взрывы,прямоточные воздушно реактивные двигатели,перспективныедвигатели,использующие энергию нестационарных и стационарных детонационных волн).В настоящее время в России и за рубежом проводятся интенсивныеэкспериментальные и расчетно-теоретические исследования высокоскоростногогорения и детонации газовых, газокапельных и газодисперсных смесей.Результаты подобных работ представлены в авторитетных журналах, на большомчисле международных симпозиумов, конференций и семинаров, отражены в рядемонографий.

В связи с бурным развитием в последние 30 лет вычислительнойтехники,численноеэкспериментальныммоделирование,исследованиям,каксталоальтернативанеобходимымидополнениеэтапомкнаучныхисследований и конструкторских разработок. Причем, в тех случаях, когдаиспользуютсявычислительныехорошоапробированныеалгоритмы,дополнительнаяматематическиемоделииинформация,получаемаяс4помощьючисленногомоделирования,неуступаетпонадежностиэкспериментальным данным и превосходит последние по своей полноте.Необходимо отметить, что задача моделирования высокоскоростногогорения и детонации газокапельных смесей в полном объеме, до сих пор не можетбыть решена с помощью широко используемых импортных и отечественныхуниверсальных пакетов прикладных программ.

Поэтому крайне важно созданиеотечественного научного задела, включающего многомасштабные физикоматематические модели, оригинальные вычислительные алгоритмы и комплексыпрограмм для моделирования детонации газокапельных смесей.Цельюдиссертационнойработыявляетсяразработкафизико-математической модели, вычислительных алгоритмов и комплекса программ длямоделирования волн детонации и дефлаграции в газокапельных смесях в каналах.Научная новизна1. Предложена уточненная универсальная физико-математическая модель,описывающая высокоскоростные течения многокомпонентного газа и капельжидкости,дляслучаяравновесныхинеравновесных,описываемыхмногостадийными кинетическими механизмами, химических превращений вгазовой фазе, в которых участвуют, как вещества, входящие в состав газа, так ипродукты испарения капель.2.Предложенэффективныйвычислительныйалгоритмсовместногорешения одномерных уравнений физической газовой динамики, сопротивления итепломассообмена капель жидкости с многокомпонентным газом, при наличиигазофазныххимическихпревращений,описываемыхмногостадийнымикинетическими механизмами.3.

Решена задача о стационарной детонационной волне и стационарнойволне дефлаграции в канале в многокомпонентной газовой среде, химическиепревращениявкоторойописываютсямногостадийнымикинетическимимеханизмами, а капли могут испаряться. Рассчитаны равновесные адиабаты и5структура волн детонации в горючих газовых смесях (водород-кислород-аргон,водород-воздух,метан-воздух)сдобавлениемкапельводыигорючихгазокапельных смесях метанола и керосина с воздухом.4. Получены коэффициенты, входящие в аппроксимационные формулытемпературной части потенциала Гиббса для жидкого и газообразного состоянияуглеводородных горючих сложного состава (бензина, керосина и дизельноготоплива), моделируемого в рамках модели однокомпонентной жидкости.5.

Расчетным путем получена нестационарная картина инициированиядетонации в газокапельной керосино-воздушной смеси падающей ударнойволной.Практическая ценность работы состоит в том, что разработанныевычислительные алгоритмы и комплекс программ могут использоваться дляэкспресс-анализа реагирующих многофазных течений в энергетических итехнологических установках (в которых реализуются высокоскоростные течения,в том числе с детонацией или дефлаграцией), а также в качестве элемента всоставе комплексов программ многомерного моделирования. Предложенные вдиссертации методики математического моделирования позволяют рассчитыватьдля газовых и газокапельных топлив произвольного состава скорости волндетонации и дефлаграции, а также состав продуктов сгорания, температурудавление и др., в том числе и в режиме Чепмена-Жуге; при наличиикинетическогомеханизма,определятьзадержкувоспламенения,тонкуюструктуру волн, вплоть до выхода системы на равновесное состояние.Достоверностьиобоснованностьрезультатов,представленныхвдиссертационной работе, обеспечивается строгостью математических постановок,разработкой адекватных физико-математических моделей, устойчивостью исходимостью используемых численных методов, тестированием вычислительныхалгоритмов, а также сравнением результатов численного моделирования срезультатами экспериментальных и расчетно-теоретических исследований другихавторов.6Соответствие диссертации паспорту научной специальностиВдиссертациипроведеноисследованиедетонационныхволнвгазокапельных средах, разработаны вычислительные алгоритмы и программымоделирования многофазных реагирующих сред (области исследования 6, 8специальности 01.02.05).Структура диссертацииРабота состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературыиз 232 наименований.В гл.