Взрывные и детонационные процессы в каналах и открытом пространстве

Мануйлович Иван Сергеевич
Научные руководители: Левин В.А., Марков В.В.
Институт механики МГУ

Проведено аналитическое и численное исследование течений с волнами детонации в рамках модели бесконечно тонкой детонационной волны и с учетом одностадийной кинетики горения.

Для численных расчетов сложных нестационарных течений разработан оригинальный вычислительный комплекс с современным интерфейсом, позволяющий оперативно ставить и решать широкий круг одномерных и двумерных задач газовой динамики инертных и химически активных газовых смесей.

С использованием модели бесконечно тонкой волны детонации выполнена оптимизация рабочего цикла детонационного двигателя.

Оригинальным аналитическим методом и численно показана возможность стабилизации бесконечно тонкой волны детонации в сверхзвуковом потоке в канале переменного сечения.

Получены новые результаты по формированию ячеистой детонации в каналах постоянной ширины, в каналах с клиновидным расширением и двумерной ячеистой расходящейся цилиндрической волны в результате прямого инициирования.

Исследован процесс инициирования детонации в сверхзвуковом потоке стехиометрической пропановоздушной смеси, заполняющей поперечное сечение плоского канала частично или полностью, без подвода энергии извне, а за счет уступа или стенки, полностью перекрывающей канал. Получена полная картина развития процесса, позволившая обнаружить несколько режимов течения и определить критические значения параметров, при которых один режим сменяется другим. В частности, обнаружен неизвестный ранее галопирующий режим распространения слоистой детонации и дано его объяснение.

Сформулированы и исследованы задачи о детонации пропановоздушной смеси во вращающихся каналах и каналах с изменяющейся формой стенок: а) формирование детонации пропановоздушной смеси, находящейся внутри вращающегося эллиптического цилиндра; б) детонация смеси вне вращающегося эллиптического цилиндра, заключенного в круговой цилиндр; в) инициирование детонации внутри вращающегося кругового цилиндра с уступами параболической формы, присоединенными к его внутренней границе; г) возникновение детонации внутри кругового цилиндра за счет вращения вокруг его оси звездообразной фигуры с лучами параболической формы; д) детонация при деформировании со временем по синусоидальному закону стенки камеры, имеющей форму параболы; е) детонация в квадратной и круглой камерах, размер которых изменяется со временем по гармоническому закону. Получены детальные картины течения и определены критические условия инициирования детонации. Представлена аналогия, которая дает возможность использовать решения плоских задач при исследовании сверхзвуковых течений в трехмерных каналах специальной формы.

Исследованы течения, возникающие при кольцевом электрическом разряде в метанокислородной смеси. Обнаружен наблюдающийся в экспериментах уникальный режим отражения ударных и детонационных волн от оси симметрии. Получены значения критической энергии прямого инициирования детонации. В случае докритических значений энергии разряда, происходящего в ограниченном объеме, получен высокоскоростной режим распространения горения, связанный с неустойчивостью Рихтмайера-Мешкова.

Проведено численное моделирование нестационарных волновых процессов в замкнутом пространстве экспериментальной установки НИИ механики МГУ. При различных значениях определяющих параметров исследована динамика формирования течения и получены временные зависимости газодинамических параметров в заданных точках, соответствующих положению датчиков в эксперименте, а также интегральные характеристики, такие как сила, действующая на определенные элементы внутренней поверхности.