Механизмы распространения неустойчивых детонационных волн в неоднородных средах

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 22-71-00113

НазваниеМеханизмы распространения неустойчивых детонационных волн в неоднородных средах

Руководитель Лопато Александр Игоревич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматизации проектирования Российской академии наук , г Москва

Конкурс №70 - Конкурс 2022 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 01 - Математика, информатика и науки о системах; 01-312 - Физико-химическая гидродинамика

Ключевые слова численное моделирование, газовая детонация, детонационная волна, пульсирующая волна, параллельные вычисления

Код ГРНТИ30.17.33

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Распространение детонационных волн в газовых средах характеризуется рядом особенностей, включая нелинейную динамику. Среди составляющих компонент нелинейной динамики можно выделить несколько ключевых. Первая составляющая связана с пульсирующей природой газовой детонационной волны самой по себе. Другая составляющая обусловлена неоднородностью плотности реагента. В частности, пространственное распределение плотности, характеризующееся периодичностью, может существенно влиять на картину инициирования и распространения детонационной волны, включая выход на режимы детонации, часть из которых не наблюдаются при аналогичных входных параметрах и однородном распределении плотности. Так, в зависимости от параметров задачи может возникать усиление колебаний параметров за фронтом детонационной волны, а может происходить их стабилизация по сравнению со случаем однородной среды. Ослабление колебаний и затухание детонации представляет интерес при моделировании процессов детонации в тоннелях и шахтах, поскольку аспект, связанный с пожаровзрывобезопасностью является здесь одним из ключевых. Актуальность исследований, связанных с распространением детонации в неоднородных средах не ограничивается проблемами пожаровзрывобезопасности в тоннелях и шахтах. Так, работа импульсных детонационных двигателей, в которых повышение КПД достигается за счет эффективного использования процессов детонации, сопряжена с впрыскиванием топливно-окислительной смеси. В двигателях такого типа окислитель и топливо впрыскиваются отдельно, что приводит к распространению детонации по сильно неоднородной смеси. После прохождения детонационной волны по камере сгорания требуется обновление топливно-окислительной смеси. Поддержание устойчивого режима распространения детонации в таких импульсных детонационных двигателях предполагает периодичность в изменении параметров и выход на предельный цикл. Проект направлен на разработку параллельных вычислительных алгоритмов и программных средств для численного исследования механизмов формирования и распространения детонационных волн по неоднородным средам с градиентом плотности реагента. Среди исследователей, активно работающих в настоящий момент в данной области (или близкой к ней) можно отметить А.Р. Касимова (Сколтех), D. Livescu (Лос-Аламосская национальная лаборатория, США), H.D. Ng (университет Конкордия, Монреаль, Канада). В рамках проекта будут рассмотрены задачи инициирования и распространения детонационной волны по среде с градиентами плотности различной формы, включая случаи линейного и синусоидального изменений. Будет проведено исследование полученных картин течения, нелинейной динамики распространения детонационной волны в неоднородной среде. Будет использован математический аппарат для прояснения механизмов, связанных c распространением детонационных волн, включая характеристический анализ, Фурье анализ, анализ бифуркационных картин. Интерес будет представлять слабо неустойчивый режим - с выходом детонации на предельный цикл. Постановка задачи будет следовать параметрам экспериментов (H.D. Ng, Proceedings of the Combustion Institute, 2020, 38(3)). Математическая модель основана на системе уравнений газовой динамики Эйлера, дополненной двухстадийной кинетикой реакций. Двухстадийная кинетика предполагает явное выделение зон индукции и реакции для более полного описания течений с волнами детонации. Математическое моделирование будет проводиться в системе координат, связанной с лидирующим скачком. Такой подход делает возможным проведение аккуратного характеристического анализа задачи. Для проведения исследований будет разработан соответствующий параллельный вычислительный алгоритм второго порядка аппроксимации, основанный на методе расщепления Стренга по физическим процессам – конвекции и химической кинетике. Проект является развитием ряда проведенных исследований (Y.E. Poroshyna, A.I. Lopato, P.S. Utkin, J. Inverse ill-Posed Probl., 2021) (Я.Э. Порошина, А.И. Лопато, П.С. Уткин, ФГВ, принята в печать). Вычислительный алгоритм будет распараллелен методом декомпозиции расчетной области с использованием библиотеки Message Passing Interface. Доступ к суперкомпьютерным ресурсам является критически важным для успешного выполнения проекта, что обусловлено необходимость достаточно высокого разрешения зон, связанных с химическими реакциями, формированием и взаимодействием волн горения и детонационных волн. Автор проекта является активным пользователем межведомственного суперкомпьютерного центра РАН, который в состоянии предоставить необходимые вычислительные мощности. Проект будет выполняться с учетом результатов исследований по схожей тематике. Возможны консультации с авторами исследований, близких к теме проекта.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. А.И. Лопато Численное исследование распространения детонационной волны в неоднородной среде в системе координат фронта волны Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии : Тез. докл. XVII Всерос. конф. молодых ученых 26 февраля — 6 марта 2023 г., Новосибирск — Шерегеш / под ред. Е. И. Крауса; Новосиб. гос. ун-т. — Новосибирск : ИПЦ НГУ, 2023. — 240 с., С. 117 - 118 (год публикации - 2023)

2. Лопато А.И., Порошина Я.Э., Уткин П.С. Characteristic analysis of detonation propagation in a nonuniform medium The 34th International Symposium on Shock Waves (ISSW34). Daegu, Korea, 16 – 21 July 2023. Online abstract book, T04-0150 (год публикации - 2023)

3. Лопато А.И., Порошина Я.Э., Уткин П.С. Numerical simulation of detonation wave propagation in a non-uniform medium in the shock-attached frame Proceedings of the 29th International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems. SNU Siheung, Korea, 23 – 28 July 2023, Paper No. 66 (год публикации - 2023)

4. Лопато А.И., Порошина Я.Э., Уткин П.С. Численное исследование механизмов распространения пульсирующей газовой детонации в неоднородной среде Компьютерные исследования и моделирование, Т. 15, № 5, С. 1263 – 1282 (год публикации - 2023)
10.20537/2076-7633-2023-15-5-1263-1282

5. Лопато А.И., Уткин П.С. The mechanism of resonant amplification of one-dimensional detonation propagating in a non-uniform mixture Computation, V. 12, No. 2, Paper No. 37 (год публикации - 2024)
10.3390/computation12020037

6. Лопато А.И. Математическое моделирование распространения детонационной волны в неоднородной среде в системе координат фронта волны Вычислительный эксперимент в аэроакустике и аэродинамике: Девятая российская конференция, г. Светлогорск Калининградской области, 26 сентября - 1 октября 2022 г.: Сборник тезисов. – М.: ИПМ им. Келдыша РАН, 2022 – 323 с., С. 203 - 207 (год публикации - 2022)

Публикации