ЧЕЛЯБИНСКИЙ ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ

Численно моделируются процессы формирования и распространения плоских волн гибридной детонации в смесях водород-кислород-аргон с частицами алюминия размером от 3.5 до 13 мкм различной загрузки. Используется физико-математическая модель приведённой кинетики горения водорода и горения алюминия с учётом образования твёрдого оксида и газообразных субокислов. Установлено стабилизирующее влияние частиц алюминия на течение, увеличение скорости детонации и пиковых давлений и температур. На промежуточной стадии формируются временные двухфронтовые конфигурации. По мере распространения фронты сближаются, структуры преобразуются в однофронтовые. Проанализированы установившиеся структуры Чепмена - Жуге и их отличия от структур газовой детонации.

Представлена физико-математическая модель гибридной детонации смеси водород - кислород - аргон - частицы алюминия. С помощью данной модели исследовано влияние частиц алюмниия на процесс распространения детонации в канале с расширением. Для ускорения получения результатов численная модель была распараллелена с помощью библиотек Open MP. В результате установлено, что на режим распространения гибридной детонации влияет как загрузка, так и дисперсность используемых частиц. В целом гибридная смесь является более устойчивой к изменению геометрии заполняемой области.

Представлены математическая модель и численная методика для расчётов процессов, происходящих при сублимации твёрдого вещества в низкотемпературном газогенераторе на основе программного комплекса ANSYS Fluent с использованием пользовательских функций. Приведены результаты расчётов в рамках используемой математической модели и расчётной технологии. Выявлены закономерности, происходящие при обтекании, прогреве и сублимации твёрдого вещества.

Представлены результаты численного исследования горения струй водорода, инжектируемых в высокоскоростной воздушный поток перед внезапным расширением канала. Показано, что при постоянных входных условиях в канале реализуется режим пульсирующего горения, который сохраняется при повышении температуры стенки от 300 до 900 К. Рост температурного фактора приводит к снижению частоты осцилляций и уменьшению их амплитуды.

Представлены результаты численного исследования закономерностей распространения пламени углеметановоздушной смеси в узком цилиндрическом канале при наличии сил вязкого трения. Постановка задачи основана на подходах механики двухфазных реагирующих сред. Метод решения задачи основан на алгоритме распада произвольного разрыва. Проведённое численное исследование позволило определить скорости распространения пламени углеметановоздушной смеси в осесимметричном канале. Показано, что на начальном этапе при достижении фронтом горения боковых стенок канала скорость пламени увеличивается. Этот эффект был получен ранее для невязкого газа. Получено, что фронт пламени газовзвеси с малым содержанием угольной пыли по мере продвижения по открытому каналу стремится к плоскому, не зависящему от координаты вдоль радиуса канала.

Представлено теоретическое исследование горения в манометрической бомбе постоянного объёма заряда, состоящего из зёрен высокоэнергетического материала, содержащего наноразмерный порошок алюминия. Проведено сравнение экспериментально замеренной зависимости роста давления в манометрической бомбе с расчётами по термодинамической модели горения навески высокоэнергетического материала в манометрической бомбе с использованием эмпирического закона зависимости скорости горения от давления и по сопряжённой модели нестационарного горения. Проведён численный анализ влияния добавки наноразмерного порошка алюминия в состав высокоэнергетического материала на динамику горения заряда в манометрической бомбе.

Проведено численное исследование влияния температуры стенки и учёта теплового излучения на процессы самовоспламенения и горения водородно-воздушной смеси в плоском канале. Моделирование выполнено в программном комплексе Ansys Fluent 2020 R1. Анализ результатов расчётов с различными температурами стенок показал, что при температурах выше 550 К реализуется самовоспламенение смеси и распространение волны горения, переходящее в детонацию. Движение детонационной волны вверх по потоку и её выход в узкую часть канала свидетельствуют о режиме запирания канала. Показано, что учёт теплового излучения способствует более позднему воспламенению смеси, но не влияет на характер течения и скорости образования продуктов сгорания.

Создана вычислительная технология моделирования ослабления ячеистой детонации при взаимодействии детонационных волн с жёсткой проницаемой преградой в горючих смесях на основе пакета ANSYS Fluent. Осуществлена верификация упрощённого кинетического механизма горения ацетилена в воздухе по известным экспериментальным данным. Выполнено моделирование взаимодействия детонационных волн с жёсткой проницаемой преградой. Определены зависимости режимов ослабления детонации от геометрических параметров преграды. Выявлены критерии для успешного срыва и препятствования реинициированию детонации. Оценён вклад рассматриваемых геометрических параметров преграды на ослабление детонации. Проведено сопоставление результатов, полученных для ацетилен-воздушной и водородвоздушной смесей.

Проведена верификация и валидация модели приведённой кинетики гибридной детонации в водород-воздушных смесях с мелкодисперсными частицами алюминия. Получена формула интегрального тепловыделения в зависимости от коэффициента избытка топлива для бедных водород-воздушных смесей. Результаты согласуются с данными экспериментов по скорости детонации. Определены константы реакций горения алюминия, обеспечивающие согласование по скорости детонации в воздушных взвесях частиц алюминия. Численно моделируются процессы газовой детонации в водород-воздушных смесях и гибридной детонации с частицами алюминия. Зависимости скорости гибридной детонации от концентрации частиц согласуются с известными данными. Проведено сравнение с экспериментами по картинам ячеистой газовой и гибридной детонации: степени регулярности, размерам ячеек, наклону траекторий тройных точек.