Разработка физических и математических моделей зажигания гелеобразных топлив в условиях, характерных для космоса, Арктики и Антарктики

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 18-13-00031

НазваниеРазработка физических и математических моделей зажигания гелеобразных топлив в условиях, характерных для космоса, Арктики и Антарктики

Руководитель Глушков Дмитрий Олегович, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" , Томская обл

Конкурс №28 - Конкурс 2018 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-401 - Неравновесные процессы – воспламенение, горение, детонация, взрыв

Ключевые слова Гелеобразное топливо; состав; низкая температура; зажигание; закономерности физико-химических процессов; экспериментальное исследование; математическая модель; аэрокосмическая отрасль; энергетика

Код ГРНТИ30.51.23; 44.09.29

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на решение актуальной на международном уровне проблемы в области горения, связанной с устойчивым и безопасным зажиганием многокомпонентных гелеобразных топлив при относительно низкой температуре (100–250 К) окружающей среды (в том числе инертной). Отличие данной проблемы от проблем зажигания, например, широко распространенных твердых и жидких конденсированных веществ заключается в протекании в течение индукционного периода большой группы взаимосвязанных процессов инертного прогрева, плавления, испарения, термического разложения, формирования парогазовой смеси, окисления и др. при достаточно нестандартных условиях – температура окружающей среды 100–250 К. Практическая значимость решения сформулированной проблемы обусловлена тем, что в последние годы перспективы освоения ближнего и дальнего космоса, Арктики и Антарктики влияют на развитие ракетно-космической отрасли и энергетики в России, США, Китае, Индии, Японии и некоторых других странах. Одним из приоритетных направлений успешной реализации таких программ является разработка новых топлив (например, гелеобразных), превосходящих по энергетическим характеристикам современные твердые и жидкие топлива. Кроме ракетных двигателей, разгонных ускорителей, газогенераторов гелеобразные топлива могут применяться в тепло- и электрогенерирующих установках. В условиях относительно низких температур окружающей среды также перспективным направлением развития теории горения является создание энергоэффективных воспламенительных устройств топливных композиций, принцип действия которых может быть основан, например, на локальном кондуктивном подводе энергии к топливу небольшой совокупностью источников ограниченного теплосодержания. Основы теории зажигания конденсированных веществ дисперсными потоками («частицы – газ») были сформулированы еще в 80-х годах XX века. В результате экспериментальных исследований У.И. Гольдшлегером и В.В. Барзыкиным с соавторами разработана математическая модель твердофазного зажигания топлива дисперсным потоком, установлено влияние основных параметров источника на определяющую характеристику процесса – время задержки зажигания. В настоящее время область применения таких моделей на практике для достоверного прогноза закономерностей и характеристик индукционного процесса ограничена. Это связано как с расширением номенклатуры составов топливных композиций, так и с созданием перспективных топлив, например, гелеобразных с существенно отличающимися закономерностями физико-химических процессов и их характеристиками по сравнению с применяемыми в настоящее время твердыми и жидкими топливами. Экспериментальное исследование характеристик воспламенения топлива при разработке новых составов представляет достаточно сложную задачу. Метрологическое обеспечение на высоком уровне экспериментов по изучению теплопереноса в топливе, фазовых превращений в прогретой области его приповерхностного слоя, тепломассопереноса в газовой среде во многих случаях трудно реализуемо на практике, например, вследствие относительно малых значений характерных времен физико-химических процессов, протекающих в течение индукционного периода, что требует больших трудозатрат, временных и материальных ресурсов. Теоретическое исследование условий и характеристик инициирования горения перспективных гелеобразных топлив не всегда возможно в рамках известных моделей зажигания из-за существенного отличия закономерностей, протекающих в течение индукционного периода процессов. Из анализа информации в международных периодических изданиях следует, что до настоящего времени не проводились систематические комплексные исследования процессов тепломассопереноса и химического реагирования при зажигании гелеобразных топлив при температурах окружающей среды 100–250 К, включающие этапы приготовления топливных композиций, изучения их свойств, закономерностей и характеристик инициирования горения. Поэтому новизна решения указанной выше научной проблемы состоит в поведении цикла экспериментальных и теоретических исследований для разработки нового подхода в рамках моделей механики сплошной среды и теории химической кинетики к математическому описанию взаимосвязанных физико-химических процессов в условиях устойчивого инициирования горения гелеобразных топлив при относительно низких температурах окружающей среды, в том числе инертной. Идея исследования заключается в разработке на основании результатов экспериментальных и теоретических исследований универсальной прогностической математической модели, описывающей протекание взаимосвязанных процессов при зажигании топлива, которая отличается от известных учетом инертного прогрева топлива, фазовых превращений в прогретой области приповерхностного слоя, формирования горючей газовой смеси (в том числе в инертной среде), экзотермического реагирования и др. Руководитель и исполнители проекта имеют опыт в проведении научных исследований, направленных на развитие теории зажигания конденсированных веществ, в частности твердых и жидких. Задел, сформированный членами научного коллектива в 2014–2016 гг. при подготовке к защите докторской (Глушков Д.О.) и кандидатских (Вершинина К.Ю. и Табакаев Р.Б.) диссертаций, а также при реализации научно-исследовательских работ (Ханефт А.В., Захаревич А.В., Валиуллин Т.Р., Нигай А.Г., Сивков Д.С.), будет способствовать успешному выполнению данного проекта. Разработка и внедрение результатов фундаментальных исследований позволит расширить топливную базу для космических летательных аппаратов за счет применения гелеобразных высокоэнергетических материалов и для энергогенерирующих установок, функционирующих на территории Арктики и Антарктики, за счет утилизации в составе гелеобразных топливных композиций твердых и жидких индустриальных горючих отходов.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Глушков Д.О., Нигай А.Г., Яшутина О.С. The gel fuel ignition at local conductive heating International Journal of Heat and Mass Transfer, Elsevier, Vol. 127, Part C, P. 1203-1214 (год публикации - 2018)
10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.08.103

2. Глушков Д.О., Кузнецов Г.В., Нигай А.Г., Яшутина О.С. Heat and mass transfer induced by the ignition of single gel propellant droplets Journal of the Energy Institute, Elsevier (год публикации - 2018)
10.1016/j.joei.2018.10.017

3. Глушков Д.О., Паушкина К.К., Шабардин Д.П., Стрижак П.А., Гутарева Н.Ю. Municipal solid waste recycling by burning it as part of composite fuel with energy generation Journal of Environmental Management, Elsevier, Vol. 231, P. 896-904 (год публикации - 2019)
10.1016/j.jenvman.2018.10.067

4. Долгачев В.А., Ханефт А.В., Митрофанов А.Ю. Ignition of organic explosive materials by a copper oxide film absorbing a laser pulse Propellants, Explosives, Pyrotechnics, Wiley, Vol. 43, Issue 10, P. 992-998 (год публикации - 2018)
10.1002/prep.201800142

5. Глушков Д.О., Лырщиков С.Ю., Шевырев С.А.. Яшутина О.С. Rheological properties of coal water slurries containing petrochemicals Thermal Science, VINCA Institute of Nuclear Sciences (год публикации - 2019)
10.2298/TSCI180422191G

6. Нигай А.Г., Глушков Д.О. Experimental investigation of a gel fuel combustion process initiated by a hot particle MATEC Web of Conferences, Article number 00025, Vol. 209, P. 1-5 (год публикации - 2018)
10.1051/matecconf/201820900025

7. Глушков Д.О., Кузнецов Г.В., Стрижак П.А., Табурчинов Р.И. Numerical simulation of gel fuel gas-phase ignition by a local source of limited heat content Acta Astronautica, Elsevier, Vol. 163, P. 44-53 (год публикации - 2019)
10.1016/j.actaastro.2018.11.050

8. Глушков Д.О., Нигай А.Г., Яновский В.А., Яшутина О.С. Effects of the initial gel fuel temperature on the ignition mechanism and characteristics of oil-filled cryogel droplets in the high-temperature oxidizer medium Energy & Fuels, ACS Publications, Vol. 33, P. 11812-11820 (год публикации - 2019)
10.1021/acs.energyfuels.9b02300

9. Вершинина К.Ю., Глушков Д.О., Нигай А.Г., Яновский В.А., Яшутина О.С. Oil-filled cryogels: new approach for storage and utilization of liquid combustible wastes Industrial & Engineering Chemistry Research, ACS Publications, Vol. 58, P. 6830-6840 (год публикации - 2019)
10.1021/acs.iecr.9b00580

10. Ханефт А.В., Митрофанов А.Ю., Зверев А.С. Effect of decomposition of CuO film on ignition of organic explosives by a laser pulse Propellants, Explosives, Pyrotechnics, John Wiley and Sons Ltd., Vol. 44, P. 1-9 (год публикации - 2019)
10.1002/prep.201900047

11. Ханефт А.В. Simulation of the dynamic breakdown of ammonium-perchlorate single crystals Technical Physics, Vol. 65, No. 6, P. 874–879 (год публикации - 2020)
10.1134/S1063784220060146

12. Глушков Д.О., Плешко А.О., Яшутина О.С. Influence of heating intensity and size of gel fuel droplets on ignition characteristics International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 156, article no. 119895 (год публикации - 2020)
10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.119895

13. Глушков Д.О., Кузнецов Г.В., Нигай А.Г., Яновский В.А., Яшутина О.С. Ignition mechanism and characteristics of gel fuels based on oil-free and oil-filled cryogels with fine coal particles Powder Technology, Vol. 360, P. 65–79 (год публикации - 2020)
10.1016/j.powtec.2019.09.081

14. Глушков Д.О., Кузнецов Г.В., Табакаев Р.Б., Алтымбаева Д.Б., Нигай А.Г. Kinetic properties of gas-phase combustion of gel fuels based on oil-filled cryogels Thermochimica Acta, Vol. 686, article no. 178553 (год публикации - 2020)
10.1016/j.tca.2020.178553

15. Глушков Д.О., Кузнецов Г.В., Нигай А.Г., Яновский В.А. Influence of gellant and drag-reducing agent on the ignition characteristics of typical liquid hydrocarbon fuels Acta Astronautica, Vol. 177, P. 66–79 (год публикации - 2020)
10.1016/j.actaastro.2020.07.018

16. Ханефт А.В., Долгачев В.А., Рыбин С.А. The effect of metal film thickness on ignition of organic explosives with a laser pulse Molecules, Vol. 24, article no. 4600 (год публикации - 2019)
10.3390/molecules24244600

17. Глушков Д.О., Косинцев А.Г., Кузнецов Г.В., Высокоморный В.С. Numerical simulation of ignition of a typical gel fuel particle, based on organic polymer thickener, in a high-temperature air medium Acta Astronautica, Vol. 178, P. 272–284 (год публикации - 2021)
10.1016/j.actaastro.2020.09.004

18. Глушков Д.О., Кузнецов Г.В., Стрижак П.А., Феоктистов Д.В. Гелеобразные топлива: приготовление, реология, распыление, горение Изд-во СО РАН, Новосибирск, 280 с. (год публикации - 2020)

19. Феоктистов Д.В., Глушков Д.О., Кузнецов Г.В., Орлова Е.Г. Gel fuels based on oil-filled cryogels: corrosion of tank material and spontaneous ignition Chemical Engineering Journal, Article no. 127765 (год публикации - 2021)
10.1016/j.cej.2020.127765

Публикации