Автореферат (Численное моделирование детонации газокапельных смесей в каналах)

На правах рукописиМоскаленко Ольга АлександровнаЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДЕТОНАЦИИГАЗОКАПЕЛЬНЫХ СМЕСЕЙ В КАНАЛАХСпециальность 01.02.05 – «Механика жидкости, газа и плазмы»АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 20162Работа выполнена на кафедре «Вычислительная математика ипрограммирование» Федерального государственного бюджетногообразовательного учреждения высшего образования «Московскийавиационный институт (национальный исследовательский университет)»Научный руководитель:Гидаспов Владимир Юрьевич,кандидат физико-математических наук, доцентОфициальные оппоненты:Голуб Виктор Владимирович,доктор физико-математических наук,профессор, заведующий отделом физическойгазовой динамики Объединенного институтавысоких температур РАНЗагордан Надежда Леонидовна,кандидат физико-математических наук,научный сотрудник ФИЦ «Информатика иуправление» РАНВедущая организация:Государственный научный центр РоссийскойФедерации федеральное государственноеунитарное предприятие «Исследовательскийцентр имени М.В.

Келдыша»Защита состоится ___ ________ 2016 года в ___ часов на заседаниидиссертационного совета Д212.125.14 Московского авиационного института поадресу: 125993, г. Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д. 4.С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Московскогоавиационного института по адресу: 125993, г. Москва, А-80, ГСП-3,Волоколамское шоссе, д. 4. или на сайте МАИ по ссылке:https://www.mai.ru/events/defence/index.php?ELEMENT_ID=74096Автореферат разослан ___ ________ 2016 г.Отзывы в 2-х экземплярах, заверенные печатью, просим отправлять поадресу: 125993, г.

Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д. 4, Ученыйсовет МАИ.Ученый секретарь диссертационногосовета Д212.125.14, кандидатфизико-математических наук, доцентГидаспов В.Ю.3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальностьтемы.Систематическоеэкспериментальноеитеоретическое изучение детонации началось в конце 19 века. С пятидесятыхгодов 20 века активно развивается теория многомерной детонации газовых,газокапельных и газодисперсных смесей.

Большой научный и практическийинтерес к изучению высокоскоростного горения и детонации газокапельныхгорючих смесей связан как с необходимостью создания системвзрывобезопасности, направленных на подавление детонации (при взрывах наугольных шахтах, в промышленности при образовании реагирующих пылей, вдвигателях внутреннего сгорания, на атомных станциях и др.), так и с желаниемнаучиться управлять детонационным горением при создании перспективныхтехнологических и энергетических установок (установки детонационногазового напыления, объемные взрывы, прямоточные воздушно-реактивныедвигатели, перспективные двигатели, использующие энергию нестационарныхи стационарных детонационных волн).В настоящее время в России и за рубежом проводятся интенсивныеэкспериментальныеирасчетно-теоретическиеисследованиявысокоскоростного горения и детонации газовых, газокапельных игазодисперсных смесей.

Результаты подобных работ представлены вавторитетных журналах, на большом числе международных симпозиумов,конференций и семинаров, отражены в ряде монографий. В связи с бурнымразвитием в последние 30 лет вычислительной техники численноемоделирование, как альтернатива и дополнение к экспериментальнымисследованиям, стало необходимым этапом научных исследований иконструкторских разработок. Причем, в тех случаях, когда используютсяхорошо апробированные математические модели и вычислительныеалгоритмы, дополнительная информация, получаемая с помощью численногомоделирования, не уступает по надежности экспериментальным данным ипревосходит последние по своей полноте.Необходимо отметить, что задача моделирования высокоскоростногогорения и детонации газокапельных смесей в полном объеме до сих пор неможет быть решена с помощью широко используемых импортных иотечественных универсальных пакетов прикладных программ.

Поэтому,крайне важно создание отечественного научного задела, включающегомногомасштабныефизико-математическиемодели,оригинальныевычислительные алгоритмы и комплексы программ для моделированиядетонации газокапельных смесей.Целью диссертационной работы является разработка физикоматематической модели, вычислительных алгоритмов и комплекса программдля моделирования волн детонации и дефлаграции в газокапельных смесях вканалах.Методы исследования. Основным методом исследования являетсяматематическое моделирование.4Научная новизна.

В диссертационной работе получены следующиеновые результаты:1. Предложена уточненная универсальная физико-математическая модельвысокоскоростных течений многокомпонентного газа и капель жидкости дляслучая равновесных и неравновесных, описываемых многостадийнымикинетическими механизмами, химических превращений в газовой фазе, вкоторых участвуют как вещества, входящие в состав газа, так и продуктыиспарения капель.2. Разработан эффективный вычислительный алгоритм совместногорешения одномерных уравнений физической газовой динамики, сопротивленияи тепломассообмена капель жидкости с многокомпонентным газом приналичиигазофазныххимическихпревращений,описываемыхмногостадийными кинетическими механизмами.3.

Численно решена задача о стационарных волнах детонации идефлаграции в канале в горючей смеси, состоящей из многокомпонентногореагирующего газа и испаряющихся капель. Рассчитаны равновесные адиабатыи структура волн детонации в горючих газовых смесях (водород-кислородаргон, водород-воздух, метан-воздух) с добавлением капель воды и горючихгазокапельных смесях метанола и керосина с воздухом.4. Получены коэффициенты, входящие в аппроксимационные формулытемпературной части потенциала Гиббса для жидкого и газообразногосостояния углеводородных горючих сложного состава (бензина, керосина идизельного топлива), моделируемого в рамках модели однокомпонентнойжидкости.5.

Расчетным путем получена нестационарная картина инициированиядетонации в газокапельной керосино-воздушной смеси падающей ударнойволной.Научная и практическая значимость работы состоит в том, чторазработанные вычислительные алгоритмы и комплекс программ могутиспользоваться для экспресс-анализа реагирующих многофазных течений вэнергетических и технологических установках (в которых реализуютсявысокоскоростные течения, в том числе с детонацией или дефлаграцией), атакже в качестве элемента в составе комплексов программ многомерногомоделирования.

Предложенные в диссертации методики математическогомоделирования позволяют рассчитывать для газовых и газокапельных топливпроизвольного состава: скорости волн детонации и дефлаграции, а также составпродуктов сгорания, температуру, давление и др., в том числе и в режимеЧепмена-Жуге; определять задержку воспламенения и тонкую структуру волндетонации, вплоть до выхода системы на равновесное состояние.Достоверность и обоснованность результатов, представленных вдиссертационной работе, обеспечивается строгостью математическихпостановок, разработкой адекватных физико-математических моделей,устойчивостью и сходимостью используемых численных методов,тестированием вычислительных алгоритмов, а также сравнением результатов5численного моделирования с результатами экспериментальных и расчетнотеоретических исследований других авторов.Апробация результатов исследования.

Основные результатыдиссертационной работы докладывались в период с 2006 по 2014 гг. нанаучных семинарах по физической газовой динамике, руководителем которыхбыл У.Г. Пирумов, а также на XV, XVIII и XIX Международных конференцияхпо Вычислительной механике и современным прикладным программнымсистемам (2007-2015 гг.); на VII, IX, X, XI Международных конференциях понеравновесным процессам в соплах и струях (2008-2016 гг.); наМеждународных научно-практических конференциях Воскресенского филиалаНОУ ВПО «Российский Новый Университет» (2013 -2015 гг.).Личный вклад. Соискатель принимал непосредственное участие впостановке задач, разработке вычислительных программ, проведении расчетов,их обработке и анализе, а также подготовке статей и докладов наконференциях.

Соискателем реализованы используемые численные методырешения задачи, проведены вычислительные эксперименты и выполнен анализполученных расчетных данных. Все положения диссертации, выносимые назащиту, получены соискателем самостоятельно.Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 15работах, включая 3 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК, и в 12статьях и тезисах докладов в материалах тематических конференций.Структура и объем работы.

Работа состоит из введения, четырех глав,заключения. Полный объем диссертации составляет 144 страницы с 63рисунками и 6 таблицами. Список литературы состоит из 232 наименований.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность темы, сформулированы концепцияи основные положения диссертационной работы.В первой главе представлен обзор литературы по теме диссертации.Во второй главе представлена физико-математическая модельгазокапельных течений в каналах при наличии испарения и газофазныххимических реакций, описаны использованные в работе численные методы ивычислительныеалгоритмы.Cчитается,чтоввыраженияхдлягидродинамических потоков вещества, импульса и энергии можно пренебречьслагаемыми, описывающими диффузию, вязкость и теплопроводность, иограничиться только слагаемыми, описывающими конвективный перенос.Вязкость, теплопроводность и диффузия могут, тем не менее, существенновлиять на процессы, происходящие в непосредственной окрестностиповерхности частиц, поэтому их необходимо учитывать в слагаемых,описывающих взаимодействие несущей и дисперсной фаз друг с другом.Течение двухфазной смеси в каналах с пологими стенками можнорассматривать в рамках квазиодномерного приближения.

Уравнения,описывающие течение многокомпонентного реагирующего газа в областях6непрерывности течения, при сделанных предположениях записываются вследующем виде:F  uF  MF ;txF;uF  ( u 2  p) F  IF  ptxxu2p u2 (e  ) F  u (e   ) F  EF ;t2x 2F i  uF i  Wi F , i  1,..., N .tx(1)(2)(3)(4)Здесь M , I , E - слагаемые, учитывающее массообмен, тепловое и механическоевзаимодействия газа с частицами, N - число газообразных компонентов всмеси,  , p, e,  i - плотность, давление, внутренняя энергия и мольно-массовыеконцентрации, F -площадь канала, Wi - число молей i-ого вещества,образующегося в единице объема в единицу времени за счет протеканияхимических реакций и фазовых переходов.Для описания диспергированной фазы, применяется следующая системауравнений:ns F  ns u s F  0 ;txns ms F  ns u s ms F   MF ;tx2ns ms u s F  ns ms u s F   IF ;tx22ususn s m s F (e s )  n s u s m s F (e s )   EF .t2x2(5)(6)(7)(8)Здесь ns , ms , es , u s - число капель в единице объема, масса, внутренняя энергия,скорость капель, соответственно.Системы уравнений, описывающие совместное течение газа и частиц, связанычерез правые части, учитывающие взаимное влияние фаз, выражения для которыхимеют вид:M  n s ms ;(9)I  n s ( ms u s  ms u ) ;(10). .