Численное моделирование быстропротекающих физико-химических процессов в многокомпонентных смесях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.18, кандидат физико-математических наук Семенов, Илья Витальевич

• Семенов, Илья Витальевич
• кандидат физико-математических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Семенов, Илья Витальевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ДИНАМИКИ ГАЗОВЫХ И ПЫЛЕГАЗОВЫХ СРЕД.

1.1 Основные предположения

1.2 Физико-химические процессы в газовой фазе

1.3 Физико-химические процессы в фазе частиц

1.4 Механизмы взаимодействия фаз

1.5 Полная система уравнений динамики для пылегазовой смеси

1.6 База данных для рассматриваемых физико-химических процессов

1.6.1 Кинетика горения угольной пыли.

1.6.2 Кинетика горения водорода.

1.6.3 Кинетика испарения частиц льда.

1.6.4 Физико-химические константы.

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ЧИСЛЕННОГО РЕШЕНИЯ И ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ МОДЕЛИ.

2.1 Принципы построения численного алгоритма

2.2 Расчётные сетки

2.3 Расчёт конвективного переноса для параметров фаз

2.4 Расчёт межфазного взаимодействия и химических процессов

2.5 Расчёт величины шага по времени

2.6 Задача Сода

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ.

3.1 Моделирование разлёта фрагментов ледяного метеорита

3.1.1 Определение начального поля параметров.

3.1.2 Результаты расчётов для цилиндрического тела.

3.1.3 Результаты расчётов для сферического тела.

3.1.4 Выводы.

3.2 Моделирование движения, газификации частиц и горения пылегазовой смеси за ударной волной

3.2.1 Подъём и распыление инертной дисперсной фазы из плотного слоя.

3.2.2 Формирование течения горючей пылегазовой смеси в угольной шахте большой протяженности.

3.2.3 Развитие слоистой детонации в трубах.

3.2.4 Выводы.

3.3 Моделирование работы электрохимического пульсирующего детонационного двигателя

3.3.1 Мелкомасштабная модель.

3.3.2 Запуск крупномасштабного двигателя.

3.3.3 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Численное моделирование быстропротекающих физико-химических процессов в многокомпонентных смесях»

Актуальность работы. В современном мире аппарат математического моделирования нашел широкое применение в • различных областях жизнедеятельности человека. Математическое моделирование и вычислительный эксперимент позволяют значительно сократить затраты на исследование сложных динамических процессов и разработку новых технических устройств, а также дают возможность получить характеристики динамики таких явлений, для которых натурный эксперимент очень трудно провести или наблюдать. Создание вычислительных комплексов программ, ориентированных на использование СуперЭВМ, для решения широкого класса сложных многомерных задач физико-химической динамики многокомпонентной среды является очень трудным, но перспективным делом. В последнее десятилетие вычислительная мощность современных СуперЭВМ с параллельной архитектурой увеличилась настолько, что стало возможным применить ранее разработанные математические модели и вычислительные алгоритмы, усложнённые введением новых элементов моделей, для более детального исследования динамики быстропротекающих физико-химических процессов в многокомпонентных смесях. В качестве исследуемых процессов, представляющих интерес, как с научной, так и с практической точки зрения, можно отметить следующие:

• Физико-химические процессы, происходящие во время взаимодействия вещества метеорита с атмосферой, являются очень сложными и представляют несомненный интерес для оценки возможных последствий вторжения космических тел в атмосферу Земли и других планет. Применение аппарата математического моделирования для исследования данных процессов имеет приоритет из-за невозможности постановки натурного эксперимента.

• Физико-химические процессы движения, газификации, воспламенения, горения и детонации пылегазовой смеси за распространяющейся ударной волной. Они имеют место при взрывах в угольных шахтах и элеваторах для зерна, при извержении вулканов и в ряде промышленных и экспериментальных устройств. Детальное изучение этих явлений требуется для выработки условий безопасной работы, в процессе которой могут возникать взрывоопасные концентрации горючей пыли.

• Физико-химические процессы, которые имеют место при работе электрохимического пульсирующего детонационного двигателя. Данный тип двигателя появился сравнительно недавно, и изучение особенностей его работы представляется актуальным, как с точки зрения развития теории детонации, так и с точки зрения практической эксплуатации устройств подобного типа. В качестве топлива для установки используется водород, применение которого в двигательных установках, также представляет большой практический интерес, в том числе и по экологическим причинам.

Цели и задачи диссертационной работы. Разработка комплекса алгоритмов и программ для численного моделирования пространственных нестационарных физико-химических процессов в многокомпонентных одно и двухфазных смесях. Применение данного вычислительного комплекса для следующих задач:

• Изучение физико-химических процессов происходящих при движении, газификации, воспламенении, горении и детонации пылегазовой смеси за распространяющейся ударной волной в круглых трубах и плоских каналах.

• Исследование движения и испарения облака фрагментов разрушенного •метеорита в атмосфере Земли.

• Изучение функционирования электрохимического пульсирующего детонационного двигателя.

Научная новизна работы.

1) Предложены математические модели для исследования следующих 5 быстропротекающих процессов в многокомпонентных смесях:

• Взрывного распада разрушенного ледяного метеорита, движущегося в атмосфере Земли.

• Формирования детонационной и квазидетонационной волн в каналах и трубах с плотными пристеночными пылевыми слоями.

• Функционирования электрохимического пульсирующего детонационного двигателя оригинальной конструкции.

2) Создан вычислительный комплекс для решения многомерных задач физико-химической динамики многокомпонентной среды. В нём реализованы технологии расщепления и распараллеливания составляющих его вычислительных алгоритмов.

3) Проведено численное исследование, указанных в пункте 1, процессов физико-химической динамики многокомпонентных смесей.

Научная и практическая ценность работы. Разработанный вычислительный комплекс может использоваться для решения широкого круга научно-практических задач. В частности, прогнозирования последствий вторжения малых космических тел в атмосферы планет; оценки взрывоопасное™ в угольных шахтах и помещениях с наличием горючей пыли; проектирования электрохимических пульсирующих детонационных двигателей на водородном и углеводородном топливе. Блочная структура комплекса позволяет легко вводить различные подмодели, например, для описания детальной химической кинетики произвольного многокомпонентного и многофазного состава. Вычислительный комплекс адаптирован для ЭВМ с массивной параллельной архитектурой кластерного типа, что даёт возможность его эффективного применения к решению ресурсоёмких научно-технических задач.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения и списка цитированной литературы. Диссертация изложена на

Заключение диссертации по теме «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ», Семенов, Илья Витальевич

3.3.3 Выводы

Предложена математическая модель, разработан численный метод и проведены расчёты течений в электрохимическом пульсирующем двигателе. Для мелкомасштабной модели исследовано влияние величины секундного расхода горючего, частоты и количества разрядов, добавки горючей пыли на локальные и интегральные характеристики течения, в частности, величину силы тяги и удельного импульса. Для полномасштабной модели С. Вуйтицкого проведено исследование по определению критической энергии инициирования детонационного горения и проанализированы различные сценарии запуска двигателя с учётом раздельного поступления водорода и воздуха. Получена полная картина процесса, включая этапы впрыска водорода его смешения с потоком воздуха из впускного сопла и воспламенения образовавшейся смеси. Оценено влияние энергии дополнительных разрядов на изменение режима работы установки.

Заключение

1. Предложены математические модели, описывающие следующие быстропротекающие процессы в многокомпонентных смесях:

• Взрывной распад фрагментов ледяного метеорита движущегося в атмосфере Земли.

• Формирование детонационной и квазидетонационной волн в каналах и трубах с плотными пристеночными пылевыми слоями.

• Функционирование электрохимического пульсирующего детонационного двигателя оригинальной конструкции.

2. Для предложенных математических моделей разработаны вычислительные алгоритмы и создан комплекс программ для численного моделирования быстропротекающих физико-химических процессов в многокомпонентных смесях. Проведено распараллеливание вычислительных алгоритмов с целью использования комплекса на ЭВМ с параллельной архитектурой.

3. Проведено исследование возможности моделирования, так называемого, «взрыва в полёте» метеорита в предположении, что это явление связано с разлётом фрагментов и испарением материала метеорита. Рассмотрено влияние различных параметров модели: начальной формы тела, возможности испарения частиц и интенсивности потери энергии с фронта головной ударной волны за счёт излучения на динамику разлёта. Установлено, что на ранних этапах разлёта облака имеется хорошее совпадение скорости головной волны со скоростью тела, полученной с помощью решения системы уравнений физической теории метеоров.

4. Проведены расчёты течений пылегазовых смесей, формирующихся за ударной волной в результате ее взаимодействия с узким пристеночным слоем пыли. Исследовано влияние коэффициентов в силах Магнуса и Сэффмана на динамику подъёма и диспергирования пыли из плотного слоя. Получена полная картина течения в длинных трубах большого и малого диаметра с запылёнными внутренними поверхностями. Выявлены механизмы интенсификации горения и формирования детонационных и квазидетонационных волн. Установлено, что детонация может возникать на больших расстояниях от места формирования первичной ударной волны.

5. Проведены расчёты течений в электрохимическом пульсирующем двигателе. Для мелкомасштабной модели исследовано влияние величины секундного расхода горючего, частоты и количества разрядов, добавки горючей пыли на локальные и интегральные характеристики течения, в частности, величину силы тяги и удельного импульса. Для полномасштабной модели С. Вуйтицкого проведено исследование по определению критической энергии инициирования детонационного горения и проанализированы различные сценарии запуска двигателя с учётом раздельного поступления водорода и воздуха. Получена полная картина процесса, включая этапы впрыска водорода, его смешения с потоком воздуха из впускного сопла и воспламенения образовавшейся смеси. Оценено влияние энергии дополнительных разрядов на изменение режима работы установки.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Семенов, Илья Витальевич, 2005 год

1. Коробейников В.П., Чушкин П.И., Шуршалов J1.B. О зоне наземных разрушений при воздушном взрыве крупного метеорита. Изв. АН СССР, МЖГ, 1974, №3, С. 94-100.

2. Коробейников В.П. Математическое моделирование катастрофических явлений природы, Математика и кибернетика, М.: Знание, 1986, № 1, С. 42.

3. Korobeinikov V.P., Gusev S.B., Chushkin P.I. and Shurshalov L.V. Flight and Fracture of the Tunguska cosmic body into the Earth's atmosphere. Computers Fluids, 1992, V. 21, № 13, P. 323-330.

4. Коробейников В.П., Чушкин П.И., Шуршалов JI.B. Моделирование и расчёт взрыва Тунгусского метеорита. В кн.: Взаимодействие метеорного вещества с Землёй. Новосибирск: Наука, 1980, С. 115--137.

5. Коробейников В.П., Власов В.И., Волков Д.Б. Моделирование разрушения космических тел при движении в атмосферах планет. Мат. моделирование, 1994, Т. 6, №8, С. 61-75.

6. Медведев Р.П., Горбацевич Р.Ф., Зоткин И.Т. Определение физических свойств каменных метеоритов применительно к изучению процессов их разрушения, Метеоритика, 1985, Вып. 44, С. 105—110.

7. Цветков В.И., Скрипник А .Я. Атмосферное дробление метеоритов с точки зрения механической прочности. Астрономический вестник, 1991, Т. 25, № 3, С. 364-371.

8. Чушкин П.И., Шарипов А.К. Абляция большого метеорного тела при радиационном нагреве. Ж. вычисл. мат. и мат. физ., 1990, Т. 30, С. 1815— 1826.

9. Хитрин JI.B. Физика горения и взрыва. М.: МГУ, 1957, 452 С.

10. Виленский Т.В., Хзмалян. Д.М. Динамика горения пылевидного топлива. М.: Энергия, 1978,246 С.

11. Абинов А.Г., Чеховских A.M. Экспериментальное исследование детонации, возникающей при взрывах метана и угольной пыли в шахтах. Сб. Детонация. Критические явления. Физико-химические превращения в ударных волнах. Черноголовка, 1978.

12. Nettleton М.А., Stirling R. Detonations in suspensions of coal dust in oxygen. Comb, and Flame. 1973, V. 21, № 3, P. 307-314.

13. Edwards D.H., Fearnley P.J., Nettleton M.A. Detonation limits of clouds of coal dust in mixtures of oxygen and nitrogen. 1 Int. Colloquium on explosibility of industrial dusts. Polish Academy of Science, Warsaw, 1984.

14. Richmond J.K., Liebman I. A physical description of coal mine explosions. 15 Int. Sympos. on Combustion. Tokyo, 1974. Pittsburgh, Pa, 1974, P. 115-125. (РЖМех, 1976, 6Б663).

15. Lebecki K., Cybulski K., S'liz J., Dyduch Z., Wolanski P. Large scale grain dust explosions-research in Poland, Shock Waves, 1995, V. 5, № 1/2, P. 109-114.

16. Li Y-C., Kauffman C.W., Sichel M. An Experimental Study of Deflagration to Detonation Transition Supported by Dust Layers, Combustion And Flame, 1995, V. 100, P. 505-515.

17. Zhang F., Gronig H., A. van de Ven. DDT and detonation waves in dust-air mixtures, Shock Waves, 2001, V. 11, P. 53-71.

18. Kobiera A., Wolanski P. Ignition of liquid and dust fuel layers by gaseous detonation, Shock Waves, 2003, V. 12, P. 413-419.

19. Левин B.A., Туник Ю.В. Горение угольной пыли в кислороде с примесью газообразного углеводородного топлива ДАН СССР, 1984, Т.276, N 4, С. 834-837.

20. Левин В.А., Туник Ю.В. Инициирование детонационного горения угольной пыли в метановоздушной смеси, ФГВ, 1987, N 3, С. 3-8

21. Бойко B.M., Папырин A.H. О динамике образования газовзвесей за ударной волной, скользящей вдоль поверхности сыпучей среды // ФГВ. 1987. N2. С. 122-126.

22. Борисов А.А. и др. О неустойчивости поверхности сыпучей среды при скольжении по ней ударных и детонационных волн // ФГВ. 1967. Т.З. N1. С. 149-151.

23. Коробейников В.П., Марков В.В., Меньшов И.С. Численное моделирование распространения ударных волн по неоднородной пылегазовой смеси // ДАН СССР. 1986, Т. 290, № 4, С. 816-819.

24. Kuhl A.L., Chien К., Ferguson R.E. et al. Simulation of a turbulent dusty boundary layer behind shock, in: Current Topics in Shock Waves, Proc. of the 17th Int. Symp. on Shock Waves and Shock Tubes, S. 1., 1990, P. 762-769.

25. Ponizy D., Wojcicki S. On modeling of pulse combustor. Archivum combustionis, 1984, 4, 3/4, P. 161.

26. Korobeinikov V.P., Gavrilov A.N., Wojcicki S. Theoretical analysis of combustion and detonation wave propagation in pulse engine, Book of abstracts, 13th IGDERS, Nagoya, 1991, P. 53.

27. Korobeinikov V.P., Wojcicki S. Theoretical modeling of detonation pulse engine with application to ram accelerator. Proc. of 2nd Intern. Workshop on Ram110

28. Accelerators, RAMAC II, Univ. of Washington, Seattle, WA USA, Session 8, P. 35, 1995.

29. Wojcicki S. On Operation of Combustion Driven Autocyclomata, Engineering System Design and Analysis, V. 1, ASME (PD-VOL.73), 1996.

30. Зельдович Я.Б. К вопросу об энергетическом использовании детонационного горения. ЖЭТФ, 1940, Т. 10, С. 542.

31. Рахматулин Х.А. Основы газовой динамики взаимопроникающих движений сплошных сред. ПММ, 1956, Т.20, в.2, С. 184-195.

32. Нигматулин Р.И. Основы механики гетерогенных сред. М.: Наука, 1978, 336 С.

33. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред. Часть 1. М.: Наука, 1987, 464 С.

34. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред. Часть 2. М.: Наука, 1987, 360 С.

35. Крайко А.Н., Стернин А.Е. К теории течения двухскоростной сжимаемой среды с твердыми и жидкими частицами. ПММ, 1965, Т.29, вып. 3, С. 418429.

36. Зверев И.Н., Смирнов Н.Н. Газодинамика горения. Изд-во Московского университета, 1987, 307 С.

37. Korobeinikov V.P. On the simple theoretical models of two-phase flows associated with combustion // Acta Astronaut. V. 6, № 7-8, 1979. P. 931 941.

38. Korobeinikov V.P. On the equations of two-phase combustible mixture flows // Arch, termodyn. i spalania. V.8, № 4, 1977. P. 529 538.

39. Крайко A.H. О поверхностях разрыва в среде, лишенной "собственного" давления // ПММ. 1979. Т.43. N3. С. 500-510.

40. Крайко А.Н. Сулайманова С.М. Двухжидкостные течения смеси газа и твердых частиц с "пеленами" и "шнурами", возникающими при обтекании непроницаемых поверхностей // ПММ. 1983. Т. 47. № 4. С. 619-630.

41. Осипцов А.Н. К учету конечности объема и гидродинамического взаимодействия частиц в газовзвесях // Докл. АН СССР. 1984. Т. 275. № 5. С. 1073-1076.

42. Coy C.JI. Гидродинамика многофазных систем. М.: Мир, 1971. 536С.

43. Коробейников В.П., Марков В.В., Меньшов И.С. Распространение ударных и детонационных волн в запыленных газах. МЖГ, 1984, № 6, С. 93-99.

44. Коробейников В.П., Марков В.В., Сизых Г.Б. Численное решение двумерных нестационарных задач движения воспламеняющейся пылегазовой смеси. ДАН СССР, 1991, Т.315, N 5, С.1077-1080.

45. Afanasieva L.A., Levin V.A., Tunik Yu.V. Multifront combustion of two-phase media Progress in astronautics and aeronautics In book: "Shock waves, explosions and detonations", AIAA, New-York 1981, V. 87, P. 394-413.

46. Коробейников В.П., Марков B.B., Меньшов И.С. Задача о сильном взрыве в запыленном газе. Труды МИАН СССР. Т. 163, 1984. С. 104 - 107.

47. Коробейников В.П., Марков В.В., Меньшов И.В. Численное моделирование нестационарных двумерных течений пылегазовой смеси в плоских каналах. First Inter, colloq. on Explosibility of Industrial Dusts. Book of papers. Part 1. Baranow, 1984. P. 191 -199.

48. Седов Л.И., Епифанцев Б.И., Коробейников В.П., Лапидус A.M., Марков В.В., Меньшов И.С., Тиванов Г.Г., Шамшев К.Н. Образование слоя повышенной концентрации частиц за ударной волной в двухфазной среде // ДАН. 1987. Т. 296, № 6. С. 1327 1330.

49. Федоров А.В., Хмель Т.А. Численное моделирование ударно-волнового инициирования гетерогенной детонации аэровзвеси частиц алюминия. ФГВ, 1999, Т. 35, №3, С. 81-88.

50. Коробейников В.П., Марков В.В., Седов Л.И., Меньшов И.С. О неоднородности полей плотности за ударной волной, распространяющейся по пылегазовой смеси. Труды МИАН СССР, 1989, Т. 186, С. 70-73.53