Численное моделирование инициирования и распространения волн газовой детонации в профилированных трубах

• Автор: Уткин, Павел Сергеевич
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 167 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
СОДЕРЖАНИЕ.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ СОКРАЩЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Способы инициирования детонации в газах

1.1. Прямое инициирование детонации.

1.2. Переход горения в детонацию

1.3. Переход ударной волны в детонационную

Выводы к главе 1

Глава 2. Математические модели течений реагирующих многокомпонентных газовых смесей с волнами детонации

2.1. Краткий обзор моделей детонационных волн.

2.2. Математическая модель потоков реагирующих газовых смесей
2.2.1. Трехмерная постановка в криволинейной системе координат
2.2.2. Двумерная постановка в декартовой и цилиндрической осесимметричный случай системах координат
2.3. Моделирование химических реакций.
Выводы к главе 2
Глава 3. Численный метод расчета течений с волнами детонации
3.1. Метод расщепления по физическим процессам
3.2. Метод конечных объемов.
3.3. Схема типа Годунова вычисления потоков.
3.4. Кусочнолинейная реконструкция численного решения
3.5. Разностная схема для численного решения уравнений газовой
динамики
3.6. Решение уравнений химической кинетики
Выводы к главе 3
Глава 4. Анализ эффективности распараллеливания расчетного алгоритма.
4.1. Метод распараллеливания.
4.2. Используемые вычислительные ресурсы
4.3. Измерение эффективности и ускорения на тестах
Выводы к главе 4
Глава 5. Верификация математических моделей и численного метода
5.1. Параметры за стационарной идеальной детонационной волной.
5.2. Тестирование метода расчета потоков
5.3. Структура стационарной детонационной волны.
5.4. Сравнение рассчитанных и экспериментальных задержек
самовоспламенения
5.5. Моделирование ячеистой структуры детонационной волны
Выводы к главе 5.
Глава 6. Численное исследование инициирования и распространения воли детонации в плоском канале с регулярным профилем стенок
6.1. Постановка задачи.
6.2. Инициирование детонации в плоском канале без профилированных
стенок.
6.3. Фокусировка ударной волны в канале с параболическими сужением и
расширением
6.4. Регулярный параболический профиль стенок
6.5. Регулярный профиль в виде прямоугольных выступов
6.6. Определение параметров в камере высокого давления.
Выводы к главе 6.
Глава 7. Численное исследование инициирования и распространения детонации в осесимметричной трубе
7.1. Труба с одиночным параболическим элементом профиля стенки
7.2. Труба с параболическим сужением и коническим расширением
7.3. Синусоидальная профилировка выходного конуса
Выводы к главе 7.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ


Личный вклад автора заключается в разработке и верификации математической модели и вычислительного алгоритма для исследования инициирования и распространения волн газовой детонации в профилированных трубах, в разработке соответствующего комплекса программ, анализе эффективности распараллеливания расчетного алгоритма, проведении вычислительных экспериментов, обработке, анализе и обобщении их результатов, а также подготовке публикаций. Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения и списка литературы. Во второй главе сформулирована математическая модель, представляющая собой систему уравнений, описывающую плоские и осесимметричные нестационарные течения невязкой сжимаемой реагирующей газовой смеси, подчиняющейся уравнению состояния совершенного газа, дополненную Источниковыми членами, моделирующими одностадийную кинетику горения пропана. В третьей главе приведен вычислительный алгоритм для решения соответствующей системы уравнений, основанный на методе конечных объемов, явной схеме Эйлера интегрирования по времени, схеме типа Годунова повышенного порядка аппроксимации по пространственным переменным на гладких решениях для расчета потоков, а также формулах дифференцирования назад для решения системы обыкновенных дифференциальных уравнений химической кинетики. Четвертая глава посвящена методу распараллеливания расчетного алгоритма, базирующемуся на декомпозиции расчетной области. Анализ качества распараллеливания демонстрирует удовлетворительные характеристики ускорения и эффективности. В пятой главе рассмотрен ряд оценочных задач и тестов для верификации математических моделей и численных методов, реализованных в рамках программного модуля. Представлены расчет параметров детонации Чепмена-Жуге, результаты моделирования стационарной детонационной волны в рамках подхода Зельдовича-Неймана-Деринга, сравнение рассчитанных и экспериментальных задержек самовоспламенения, а также результаты моделирования двумерной ячеистой структуры многофронтовой детонационной волны. В шестой главе на основе анализа результатов серии вычислительных экспериментов показано, что соответствующая регулярная профилировка стенок плоского канала может приводить к существенному уменьшению расстояния и времени перехода УВ в детонационную. При этом оказывается, что образованием локальных зон самовоспламенения смеси за относительно слабой УВ можно управлять не только величиной перекрытия канала и расстоянием между отдельными элементами профиля, но и формой элементов профиля. На основе серии вычислительных экспериментов предложена форма сужения и величина блокировки трубы, обеспечивающие формирование детонации для относительно низких чисел Маха инициирующих ударных волн. Также предложена и численно исследована дополнительная синусоидальная профилировка стенок расширительного конуса, и продемонстрировано, что подобная профилировка может способствовать инициированию детонации. В Заключении сформулированы основные результаты работы. Тема диссертации связана с научно-исследовательскими работами Учреждения Российской академии наук Института автоматизации проектирования РАН. В работе представлены результаты исследований, выполненных при поддержке программ Президиума РАН, ОМН РАН, РФФИ (грант № 5-а), а также ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (конкурс НК-1 ООП, контракт № П-9). Результаты, представленные автором в диссертационном исследовании, отмечены Медалью Российской академии наук с премией для студентов высших учебных заведений за работу «Численное моделирование инициирования детонации в энергетических установках нового поколения» по итогам конкурса г. Мсдалыо им. Р.И. Солоухина для молодых ученых на -ом Международном коллоквиуме по динамике взрывов и реагирующих систем (, г. Минск, Беларусь). Автор выражает глубокую и искреннюю признательность своему научному руководителю И. В. Семенову за его знания, опыт и труд, которые были вложены сначала в образование диссертанта, а затем и в совместную работу. Автор благодарен д. В.В. Маркову (МИ РАН) и И. Ф. Ахмедьянову (ИАГГ РАН) за помощь в проведении исследований. Отдельная благодарность д. С.М. Фролову (Институт Химической физики им. H.H. Семенова РАН) и к. B.C. Аксенову (МИФИ) за экспериментальную поддержку проведенных численных исследований.