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 24-19-00703
НазваниеМногофазные явления при воздействии горячих газов на легкоплавкие горючие материалы: эксперименты и вычислительные модели
РуководительЯкуш Сергей Евгеньевич, Доктор физико-математических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского Российской академии наук, г Москва
| Период выполнения при поддержке РНФ | 2024 г. - 2026 г. |
Конкурс№92 - Конкурс 2024 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-201 - Процессы тепло- и массообмена
Ключевые словаплавление, испарение, диспергирование, легкоплавкие материалы, регрессия, горение
Код ГРНТИ30.17.53
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Изучение взаимодействия легкоплавких материалов с потоками нагретого газа представляет собой комплексную фундаментальную задачу механики многофазных сред, гидродинамики, теории горения. Проект направлен на исследование процессов плавления материала, течения в условиях развития неустойчивости Кельвина-Гельмгольца в слое расплава и взаимодействия возмущенной поверхности расплава с внешним турбулентным потоком, диспергирования и горения расплава в потоке окислителя. Актуальность данной тематики обусловлена возможными приложениями в аэрокосмической отрасли, в энергетике, а также применимостью к решению экологических проблем сжигания органических и полимерных топлив и задач пожаровзрывобезопасности. Основной научной проблемой проекта является установление закономерностей диспергирования вещества и его горения в потоке газа, а также изучение устойчивости горения материала
Отличительной чертой предлагаемого проекта является детальное изучение процессов плавления, диспергирования и горения органических материалов методами оптической регистрации высокого пространственно-временного разрешения, в сочетании с суперкомпьютерным моделированием протекающих процессов с прямым расчетом межфазных поверхностей и фронтов плавления.
В рамках проекта будет проведено экспериментальное изучение процесса плавления поверхности парафина при воздействии потока горячего воздуха в широком диапазоне параметров газа и начальной формы поверхности (плоская, периодическая, волнообразная). Будут определены механизмы срыва капель и статистические характеристики поверхностных волн и дисперсных капель с привлечением методов распознавания образов для автоматической обработки изображений и покадровой обработки видеозаписей высокого пространственного и временного разрешения. Центральной задачей проекта является создание трехмерной вычислительной модели для численного моделирования процессов плавления материала, течения в слое расплава, фрагментации расплава и отрыва дисперсных капель при взаимодействии с турбулентным потоком горячего газа, в том числе при наличии химических реакций горения. Созданное параллельное программное обеспечение будет валидировано на результатах экспериментов, что позволит получить оценку точности и предсказательных свойств модели, установление влияния сетки и используемых численных схем на локальные и интегральные характеристики процесса. В численных расчетах и сопровождающих экспериментах будет изучено влияние геометрии образца и различных искусственных препятствий (уступы, углубления, перегородки) на стабилизацию горения и характеристики пламени. Результаты численных расчетов и экспериментов будут обобщены в виде метамодели на основе нейронных сетей, позволяющей решать прямые и обратные задачи (прогноз, оптимизация с учетом различных ограничений).
Полученные в результате выполнения проекта новые данные будут обладать высокой фундаментальной ценностью с точки зрения исследования сложных многофазных течений с плавлением, испарением и горением, представляя также несомненный практический интерес с точки зрения обеспечения устойчивости работы камер сгорания широкого назначения. Изучение распространения пламени по поверхности плавящегося материала и интенсификации горения за счет образования диспергированной фазы будет иметь практическую ценность для оценки механизмов распространения пожара и создания противопожарных систем.
Ожидаемые результаты
Выполнение проекта позволит получить новые экспериментальные и расчетные результаты, имеющие фундаментальное и прикладное значение, расширяющие понимание сложных нелинейных процессов, сопровождающих взаимодействия легкоплавких материалов с потоками нагретого газа.
Основные ожидаемые результаты выполнения проекта:
1. Экспериментальные данные высокого пространственно-временного разрешения о развитии неустойчивости пленки расплава, формировании волн на поверхности, срыве капель и вытягивании струй-лигаментов, их отрыве внешним потоком.
2. Статистические характеристики волн на поверхности расплава и дисперсной фазы, полученные по результатам скоростной видеосъемки с применением алгоритмов распознавания образов для автоматизированной обработки видеоизображений.
3. Трехмерная суперкомпьютерная программа для моделирования с прямым разрешением межфазных поверхностей и фронтов плавления, позволяющая осуществлять расчет процессов на поверхности, в слое расплава и в газодисперсной смеси без привлечения процедуры осреднения или эмпирических корреляций.
4. Карта режимов диспергирования и горения материала при варьировании геометрии образца и параметров газового потока.
5. Экспериментальные и расчетные данные о поведении пламени при зажигании материала, в том числе визуализация горения в застойных зонах, выявление характера колебаний пламени в неустойчивых режимах горения.
6. Обобщение полученного массива данных экспериментов и численных расчетов, с оценкой погрешности, путем создания специализированной программы на основе нейронных сетей.
Ожидаемые результаты будут соответствовать современному мировому уровню исследований горения легкоплавких материалов. Использование парафина, как наиболее распространенного материала для аналогичных исследований, проводимых в различных странах, позволит провести сравнительный анализ результатов и обеспечить необходимую степень их достоверности. Полученные экспериментальные и расчетные данные важны для разработки методов управления горением легкоплавких материалов в камерах сгорания широкого назначения, в том числе – подавления горения, что актуально с точки зрения пожаровзрывобезопасности и предотвращения аварий.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ