![]() |
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИСТИНА ЦЭМИ РАН |
||
В связи с достигнутым пределом эффективности классических двигательных установок в настоящее время в мире возобновился интерес к нетрадиционным типам двигателей, например, такими как детонационные двигатели. Предполагается, что в настоящее время двигатели такого типа они могут реально конкурировать с газотурбинными и прямоточными воздушно-реактивными двигателями, основанными на классическом сжигании топлива. Детонационный режим представляет существенные преимущества по сравнению с используемыми схемами в части скорости энерговыделения, которая на три порядка превышает скорость энерговыделения в классических камерах сгорания. В связи с чем детонационный режим может также оказаться эффективным при организации процессов сгорания в сверхзвуковом потоке. Потенциальные преимущества детонационных двигателей должны привести к увеличению КПД, удельного импульса, а также к радикальному снижение стоимости двигателя. Целью проекта является исследование процессов смешивания горючего и окислителя в сверхзвуковом потоке, зажигание и установление детонационного режима с использованием компьютерного моделирования, на современных гибридных вычислительных системах.
Due to achieved efficiency limit of classical propulsion systems the interest in non-traditional types of engines, for example, such as detonation engines, has now renewed in the world. Assumed that this type of engines can really compete with gas turbine and ramjet air-jet engines based on the classic combustion of fuel. The detonation regime presents significant advantages over the used schemes in terms of the rate of energy release, which is three orders of magnitude higher than the rate of energy released in classical combustion chambers. In connection with this the detonation regime can also prove to be effective in the organization of combustion processes in a supersonic flow. The potential advantages of detonation engines should lead to increase efficiency, specific impulse, and also to a radical reduction in the cost of the engine. The purpose of the project is to research the processes of mixing fuel and oxidizer in a supersonic flow, ignition and detonation setting using computer simulation, on modern hybrid computer systems.
Результатом данного проекта будет создание адекватных физической и математической моделей, описывающих процессы смешивания горючего и окислителя в сверхзвуковом потоке, зажигание и установление детонационного режима. А так же проведение численных экспериментов с использованием компьютерного моделирования, на современных гибридных вычислительных системах. Будет проведено моделирование при условии возникновения в камере реальных переходных режимов с учетом всех нестационарных стадий процесса. Таким образом, ожидаемые результаты должны превосходить существующий мировой уровень моделирования рассматриваемых процессов.
Результаты полученные коллективом в ходе проводившихся ранее исследований. 1. В ходе выполнения других проектов была разработана оригинальная программа численного моделирования, позволяющая изучать процесс перехода горения в детонацию при наличии всевозможных внешних воздействий: геометрических, температурных, концентрационных. 2. Определены механизмы перехода горения в детонацию и возможное влияние характеристик стеснения потока. Было проведено исследование влияния внутренней геометрии трубы и турбулизации потока на возникновение детонации; также проводилось исследование влияние температуры и концентрации топлива в несгоревшей смеси на переход горения в детонацию (ПГД), стабильность возникающих детонационных волн. 3. Результаты экспериментальных и теоретических исследований, показывают, что в процессе ПГД зарождение детонации происходит в локальных экзотермических центрах («горячих точках») между ускоряющейся зоной турбулентного горения и головной ударной волной. 4. При исследования влияния температуры исходной смеси на переход горения в детонацию было выявлено, что изменение температуры исходной смеси приводит к возникновению двух противоположных эффектов. С одной стороны, увеличение начальной температуры приводит к возрастанию скорости химических реакций, способствуя тем самым ускорению пламени. С другой стороны, ПГД возможен после того, как скорость турбулентного пламени превысит скорость звука в газе, которая также возрастает с увеличением температуры, затрудняя тем самым ПГД. 5. С другой стороны исследования ПГД в трубах, содержащих форкамеры большого объема в секции зажигания, ускорение пламени в узкой трубе происходит в большей степени вследствие его проталкивания вытекающими из камеры горячими продуктами реакции. 6. Проведенные исследования показали, что при использовании пульсирующих детонационных камер сгорания основные ограничения на повышение частоты их работы накладываются необходимостью периодически инициировать процесс детонации.
грант РФФИ |
# | Сроки | Название |
1 | 1 февраля 2018 г.-31 декабря 2018 г. | Компьютерное моделирование детонационного горения в сверхзвуковых потоках (этап 1, 2018 год) |
Результаты этапа: 1. Разработана численная модель термодинамических процессов, позволяющая проводить моделирование смешивание горючего и окислителя при внесении горючего в газовой фазе в сверхзвуковой поток. Реализована программная версия и проведена его отладка. 2. Разработана и отлажена численная модель химической кинетики кислородо-водородного топлива в турбулентных потоках. Модель химической кинетики для газовой смеси водорода и кислорода с азотом в качестве нейтральной компоненты основывается на модифицированном механизме Мааса-Варнаца, и включает в себя 9 компонент и 20 реакций. Разработана модель кинетики углеводородного газообразного топлива, основанная на авторском механизме, включает в себя 38 компонент и 230 реакций. 3. Разработана численная трехмерная нестационарная математическая модель для расчета сверхзвуковых течений газовой смеси с химическими превращениями, описывающая процессы смешивания горючего и окислителя в турбулентном сверхзвуковом потоке. На основании авторской методики расчета неравновесных турбулентных течений многокомпонентной смеси разработана модель турбулентного течения, горения и детонации в камере сгорания двигателя с вращающейся детонационной волной. Реализована программная часть данного блока, проведена его отладка. | ||
2 | 1 февраля 2019 г.-31 декабря 2019 г. | Компьютерное моделирование детонационного горения в сверхзвуковых потоках (этап 2, 2019 год) |
Результаты этапа: 1) Проведены вычислительные эксперименты для детонационного двигателя на водород-кислородной смеси, вариант раздельной подачи топлива и окислителя. Рассмотрены новые вариантов химической кинетики для водород-кислородной горючей смеси. Рассмотрено 6 различных механизмов химической кинетики: Maas-Warnatz-Pope (1992), Hong (2010), Williams (2004), Gri-Mech 3.0 (1999), Liu-Zhou-Kazakov-Dryer (2004), NIKITIN (2015). Один из предложенных механизмов является собственной разработкой. Количество компонент 9, количество реакций варьируется от 20 до 29, в зависимости от выбранного механизма. Проведено сравнение их работы, получены варианты со стабильной детонационной волной. Новизна подхода в том, что ранее в рамках подобного пакета программ не рассматривались алгоритмически сложно реализуемые «выпадающие» реакции, коэффициент которых зависит не только от температуры, но и от молярной плотности среды, причем обе зависимости сильно нелинейны и отличаются от «стандартной» зависимости Аррёниуса. Тем не менее все эти механизмы, кроме механизмов Мааса – Поупа и последнего, содержат такие реакции. Получена эффективная реализация расчета матрицы Якоби правой части жесткой системы обыкновенных дифференциальных уравнений, использующейся для ее решения. Данная матрица для «невыпадающих» реакций считается аналитически. Численный расчет производных потребовал бы слишком большого числа последовательных расчетов специальных функций. Полуаналитический метод с минимизацией объема расчетов таких функций, как экспонента, позволяет оптимизировать скорость счета. 2) Проведены вычислительные эксперименты для детонационного двигателя на углеводородном топливе. Получена новая сокращенная кинетика для углеводородного топлива (ацетилена): 9 компонент 13 реакций, 12 из них обратимых. Сам кинетический механизм состоит из одной обратимой реакции, ответственной за разложение горючего при взаимодействии с кислородом и образовании радикалов (атомарного кислорода), двух обратимых реакций взаимодействия угарного газа с радикалами (атомарным кислородом и гидроксилом), реакции образования радикалов при взаимодействии водорода с кислородом, четырех реакций обмена между водородом, кислородом, водой и радикалами, трех реакций диссоциации-рекомбинации кислорода, водорода и воды, и одной реакции между радикалами – рекомбинации атомарного кислорода и водорода в гидроксил. Все реакции, кроме реакции разложения ацетилена, обратимые, их константы получены из 5 различных опубликованных ранее источников. Получено предварительно, что углеводородное топливо при тех же условиях подачи, что и топливо на основе водорода, приводит к более сильной детонации в камере сгорания, что объясняется большей калорийностью углеводородного топлива в расчете на один моль или на единицу объема. 3) Получен пакет программ, моделирующий процессы в камере сгорании двигателя с непрерывной детонационной волной, и допускающий параллельный режим проведения расчетов с помощью технологии OpenMP, получено ускорение программы в 13 раз. Подготовлен код для оптимизации под системы с разделенной памятью, который может основываться как на технологии MPI, так и гибриде MPI и OpenMP. Предложено решение главной возникающая при разделении памяти проблемы – минимизации объема пересылок данных при разбиении на заданное число областей. | ||
3 | 1 февраля 2020 г.-31 декабря 2020 г. | Компьютерное моделирование детонационного горения в сверхзвуковых потоках (этап 3, 2020 год) |
Результаты этапа: Результатом данного проекта - создание адекватных физической и математической моделей, описывающих процессы смешивания горючего и окислителя в сверхзвуковом потоке, зажигание и установление детонационного режима. А так же проведение численных экспериментов с использованием компьютерного моделирования, на современных гибридных вычислительных системах. Будет проведено моделирование при условии возникновения в камере реальных переходных режимов с учетом всех нестационарных стадий процесса. Таким образом, ожидаемые результаты должны превосходить существующий мировой уровень моделирования рассматриваемых процессов. |
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".