Моделирование газификации твердого горючего в низкотемпературном газогенераторе высокоскоростного летательного аппарата

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 21-79-20008

НазваниеМоделирование газификации твердого горючего в низкотемпературном газогенераторе высокоскоростного летательного аппарата

Руководитель Салганский Евгений Александрович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии Российской академии наук , Московская обл

Конкурс №51 - Конкурс 2021 года по мероприятию «Проведение исследований на базе существующей научной инфраструктуры мирового уровня» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-201 - Процессы тепло- и массообмена

Ключевые слова твердое горючее, газификация, нестационарные процессы, газогенератор, прямоточный воздушно-реактивный двигатель, высокоскоростной летательный аппарат

Код ГРНТИ27.35.46

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Настоящий проект посвящен разработке моделей, методов расчета, численному и экспериментальному исследованию динамических процессов при газификации (сублимации) твердого пористого горючего в комбинированном заряде низкотемпературного газогенератора с последовательным расположением твердого самогорящего топлива и горючего для генерации углеводородных газов. В настоящее время ведутся активные исследования по развитию высокоскоростных летательных аппаратов внутриатмосферного применения, оснащаемых прямоточным воздушно-реактивным двигателем, работающим на твердом топливе. При больших скоростях полета, характерных для перспективных прямоточных воздушно-реактивных двигателей, температура торможения набегающего потока воздуха достигает высоких значений, которые не позволяют использовать его в качестве охладителя завесной системы охлаждения. Поэтому для высоких скоростей полёта наиболее часто рассматривается активное охлаждение двигателя посредством углеводородного топлива, размещенного на борту летательного аппарата. Для реализации подобных летательных аппаратов необходимо использование комбинированных зарядов, состоящих из основного твердого топлива и испаряемого твёрдого горючего. Данная схема предполагает организацию охлаждения материалов конструкции летательного аппарата конвективным потоком продуктов сублимации испаряемого твердого горючего. При этом процесс сублимации твердого горючего происходит при фильтрации высокотемпературного газа, т.е. в фильтрационном режиме. Однако, существует проблема гидродинамической неустойчивости плоского фильтрационного фронта, характерная для подобных систем. Как правило, это приводит к искривлению формы фронта фильтрационного горения, и образованию «наклонной» структуры фронта. В зависимости от конкретных условий после потери устойчивости плоского фронта горения может возникнуть либо новая стационарная структура, либо в результате дальнейшего развития могут образоваться отдельные очаги горения, прогары и т.п. Поэтому в настоящем проекте планируется разработка моделей, методов расчета и детальное исследование гидродинамических процессов в совокупности с теплофизическими и химическими процессами, которые возникают при сублимации твердого горючего в комбинированном заряде низкотемпературного газогенератора с последовательным расположением твердого топлива и горючего для генерации углеводородных газов. Для верификации и уточнения математической модели и численных методов планируется проведение специально поставленных экспериментов. Проведенные исследования процесса и пределов устойчивости фронта сублимации твердого горючего для генерации углеводородных газов позволят выявить фундаментальные закономерности и получить новые знания, необходимые для развития технологий создания комбинированных зарядов низкотемпературного газогенератора высокоскоростного летательного аппарата. Такие знания необходимы для определения условий работы системы охлаждения материалов конструкции летательного аппарата, а также для расчета тяги двигателя. Еще одной целью настоящего проекта является формирование успешно действующего научного коллектива, объединяющего квалифицированных экспериментаторов из г. Черноголовка (ИПХФ РАН) и специалистов по численному моделированию из г. Владивосток (ИАПУ ДВО РАН и ДВФУ) и г. Новосибирск (ИТПМ СО РАН). Данный коллектив способен стать одним из мировых лидеров в области изучения процессов сублимации пористых горючих сред. Территориальная удаленность двух групп этого коллектива друг от друга не станет помехой в проведении совместных исследований, так как современные методы коммуникаций посредством сети Интернет могут обеспечить ежедневное взаимодействие.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Салганский Е.А., Луценко Н.А., Яновский Л.С. Simulation of Gasification of Solid Porous Fuel in a Low-Temperature Gas Generator of Ramjet AIP Conference Proceedings (год публикации - 2021)

2. Луценко Н.А. On Improved Model of Solid Porous Fuel Gasification in Low-Temperature Gas Generator for Flying Vehicle AIP Conference Proceedings (год публикации - 2021)

3. Боровик К.Г., Фецов С.С. On Modeling the Process of Solid Fuel Sublimation in a Combined Charge of a Low-temperature Gas-generator in the OpenFOAM Software AIP Conference Proceedings (год публикации - 2021)

4. Фецов С.С., Ким А.С. A Novel OpenFOAM Solver for Modelling Thermo- and Fluid Dynamic Processes in Porous Media AIP Conference Proceedings (год публикации - 2021)

5. Салганский Е.А., Луценко Н.А., Яновский Л.С. Моделирование газификации твердого пористого энергетического материала в низкотемпературном газогенераторе летательного аппарата Физика горения и взрыва, Т. 58, №. 3, С. 64-70 (год публикации - 2022)
10.15372/FGV20220306

6. Бедарев И.А., Темербеков В.М. Численное моделирование сублимации твёрдого топлива в потоке высокотемпературного газа в континуальном приближении и с выделением границы двух сред ЧЕЛЯБИНСКИЙ ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, Т. 7, № 3, С. 326-340 (год публикации - 2022)
10.47475/2500-0101-2022-17306

7. Луценко Н.А., Боровик К.Г., Фецов С.С., Салганский Е.А. О моделировании газификации двухслойного пористого полимера в низкотемпературном газогенераторе высокоскоростного летательного аппарата ТЕЗИСЫ XVI ВСЕРОССИЙСКОГО СИМПОЗИУМА ПО ГОРЕНИЮ И ВЗРЫВУ, с. 222-223 (год публикации - 2022)

8. САЛГАНСКИЙ Е.А., ЗАЙЧЕНКО А.Ю., ПОДЛЕСНЫЙ Д.Н., САЛГАНСКАЯ М.В., ЦВЕТКОВ М.В., ЦВЕТКОВА Ю.Ю. Экспериментальное исследование газификации уротропина при различных температурах фильтрующегося газа с получением горючих газообразных продуктов ТЕЗИСЫ XVI ВСЕРОССИЙСКОГО СИМПОЗИУМА ПО ГОРЕНИЮ И ВЗРЫВУ, с. 85 (год публикации - 2022)

9. Салганский Е.А., Зайченко А.Ю., Подлесный Д.Н., Салганская М.В., Цветков М.В., Цветкова Ю.Ю. Experimental study of low-temperature gasification of urotropine at different temperatures of filtering gas with obtaining combustible gas products INTERNATIONAL CONFERENCE ON THE METHODS OF AEROPHYSICAL RESEARCH, Т. 2, с. 136 (год публикации - 2022)
10.53954/9785604788974_136

10. Бедарев И.А., Темербеков В.М. Two approaches to simulation of solid fuel sublimation in a high-temperature gas flow INTERNATIONAL CONFERENCE ON THE METHODS OF AEROPHYSICAL RESEARCH, Т.2, с. 16-17 (год публикации - 2022)
10.53954/9785604788974_16

11. Боровик К.Г., Луценко Н.А., Фецов С.С., Салганский Е.А. Моделирование газификации двухслойного пористого полимера в низкотемпературном газогенераторе Физика горения и взрыва, 4, 59, 44-51 (год публикации - 2023)
10.15372/FGV2022.9274

12. Салганский Е.А., Зайченко А.Ю., Подлесный Д.Н., Цветков М.В. Экспериментальное исследование газификации уротропина в потоке СО2 при различных температурах Теплофизика и аэромеханика, 30, 2, 357-363 (год публикации - 2023)
10.1134/S0869864323020142

13. Салганская М.В.,Зайченко А.Ю.,Подлесный Д.Н.,Цветков М.В.,Цветкова Ю.Ю., Салганский Е.А. Experimental study of hexamethylenetetramine gasification at different temperatures of gas flow Acta Astronautica, 204, 682-685 (год публикации - 2023)
10.1016/j.actaastro.2022.08.039

14. Салганский Е.А., Луценко Н.А., Яновский Л.С. Simulation of gasification of solid porous fuel in a low-temperature gas generator of ramjet AIP Conference Proceedings, 2504, 020008 (год публикации - 2023)
10.1063/5.0132339

15. Луценко Н.А. On improved model of solid porous fuel gasification in low-temperature gas generator for flying vehicle AIP Conference Proceedings, 2504, 030092 (год публикации - 2023)
10.1063/5.0132423

16. Боровик К.Г., Фецов С.С. On modeling the process of solid fuel sublimation in a combined charge of a low-temperature gas-generator in the OpenFOAM software AIP Conference Proceedings, 2504, 030074 (год публикации - 2023)
10.1063/5.0132312

17. Фецов С.С., Ким А.С. A novel OpenFOAM solver for modelling thermo- and fluid dynamic processes in porous media AIP Conference Proceedings, 2504, 030107 (год публикации - 2023)
10.1063/5.0132245

18. Боровик К.Г., Фецов С.С., Луценко Н.А. Исследование газификации пористых полимерных материалов: верификация модели и новые результаты Динамика многофазных сред : Тез. докл. XVIII Всеросс. семинара с междунар. участием, посв. 115-летию со дня рожд. Сергея Алексеевича Христиановича 24–27 сент. 2023 г. / Под ред. В.М. Фомина ; Ин-т теор. и прикл. механики СО РАН. – Новосибирск, 20-21 (год публикации - 2023)
10.25205/978-5-4437-1520-9

19. Бедарев И.А., Темербеков В.М. Численное моделирование сублимации твердых пористых объектов в осесимметричной постановке Динамика многофазных сред : Тез. докл. XVIII Всеросс. семинара с междунар. участием, посв. 115-летию со дня рожд. Сергея Алексеевича Христиановича 24–27 сент. 2023 г. / Под ред. В.М. Фомина ; Ин-т теор. и прикл. механики СО РАН. – Новосибирск, 6-7 (год публикации - 2023)
10.25205/978-5-4437-1520-9

20. Бедарев И.А., Темербеков В.М. Моделирование сублимации полиметилметакрилата и уротропина высокотемпературным азотом в осесимметричной постановке Динамика многофазных сред : Тез. докл. XVIII Всеросс. семинара с междунар. участием, посв. 115-летию со дня рожд. Сергея Алексеевича Христиановича 24–27 сент. 2023 г. / Под ред. В.М. Фомина ; Ин-т теор. и прикл. механики СО РАН. – Новосибирск, 8-9 (год публикации - 2023)
10.25205/978-5-4437-1520-9

21. Салганский Е.А., Зайченко А.Ю., Подлесный Д.Н., Салганская М.В., Цветков М.В., Цветкова Ю.Ю. Экспериментальное исследование газификации уротропина при различных температурах фильтрующегося газа с получением горючих газообразных продуктов Динамика многофазных сред : Тез. докл. XVIII Всеросс. семинара с междунар. участием, посв. 115-летию со дня рожд. Сергея Алексеевича Христиановича 24–27 сент. 2023 г. / Под ред. В.М. Фомина ; Ин-т теор. и прикл. механики СО РАН. – Новосибирск, 86-88 (год публикации - 2023)
10.25205/978-5-4437-1520-9

22. Салганский Е.А., Яновский Л.С. Gasification of solid fuels in filtration mode XIV International Symposium «Combustion and Plasma Chemistry. Physics and Chemistry of Carbon and Nanopower Materials». 2023, Almaty, Kazakhstan. – Алматы: Publishing center KBTU, 52-53 (год публикации - 2023)

23. Салганский Е.А., Луценко Н.А. Теоретическое исследование газификации твердого горючего в низкотемпературном газогенераторе летательного аппарата Химическая физика, Т. 41, № 3, С. 68-72 (год публикации - 2022)
10.31857/S0207401X22030116

24. Салганский Е.А., Зайченко А.Ю., Подлесный Д.Н., Салганская М.В., Цветков М.В., Цветкова Ю.Ю. Экспериментальное исследование газификации уротропина при различных температурах газообразного теплоносителя Химическая физика, Т. 41, № 11, С. 39-43 (год публикации - 2022)
10.31857/S0207401X22110097

25. Салганский Е.А., Боровик К.Г., Фецов С.С., Луценко Н.А., Яновский Л.С. Modeling of gasification of complex solid porous polymer in lowtemperature gas generator for high-speed flying vehicle Proceeding of the INTERNATIONAL CONFERENCE ON PHYSICS AND CHEMISTRY OF COMBUSTION AND PROCESSES IN EXTREME ENVIRONMENTS, с. 58 (год публикации - 2022)

26. Луценко Н.А., Боровик К.Г. Gasification of solid fuels in low-temperature gas generator: a new computational model and a study of the effect of gasifier length International Journal of Heat and Mass Transfer, Т. 231, № 125876 (год публикации - 2024)
10.1016/j.ijheatmasstransfer.2024.125876

27. Бедарев И.А., Темербеков В.М. Прямое численное моделирование сублимации твёрдого материала в осесимметричной постановке Челябинский физико-математический журнал/Chelyabinsk Physical and Mathematical Journal, Т. 9, № 3, С. 483-489 (год публикации - 2024)
10.47475/2500-0101-2024-9-3-483-489

28. Бедарев И.А., Темербеков В.М. Моделирование сублимации полиметилметакрилата и уротропина высокотемпературным азотом в осесимметричной постановке Челябинский физико-математический журнал/Chelyabinsk Physical and Mathematical Journal, Т. 9, № 4, С. 650-657 (год публикации - 2024)
10.47475/2500-0101-2024-9-4-650-657

29. Салганский Е.А., Зайченко А.Ю., Подлесный Д.Н., Цветков М.В. Experimental Study of Influence of the Gas Flux on Urotropine Gasification in the Low-Temperature Gas Generator EURASIAN CHEMICO-TECHNOLOGICAL JOURNAL, № 26, С. 15-20 (год публикации - 2024)
10.18321/ectj1561

30. Луценко Н.А., Боровик К.Г., Фецов С.С., Салганский Е.А. Gasification of multi-layer porous fuels in low-temperature gas generator for flying vehicle International Journal of Heat and Mass Transfer, Т. 236, № 126264 (год публикации - 2025)
10.1016/j.ijheatmasstransfer.2024.126264

Публикации

2. Луценко Н.А. On Improved Model of Solid Porous Fuel Gasification in Low-Temperature Gas Generator for Flying Vehicle AIP Conference Proceedings (год публикации - 2021)

4. Фецов С.С., Ким А.С. A Novel OpenFOAM Solver for Modelling Thermo- and Fluid Dynamic Processes in Porous Media AIP Conference Proceedings (год публикации - 2021)

Публикации

2. Луценко Н.А. On Improved Model of Solid Porous Fuel Gasification in Low-Temperature Gas Generator for Flying Vehicle AIP Conference Proceedings (год публикации - 2021)

4. Фецов С.С., Ким А.С. A Novel OpenFOAM Solver for Modelling Thermo- and Fluid Dynamic Processes in Porous Media AIP Conference Proceedings (год публикации - 2021)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Настоящий проект посвящен разработке моделей, методов расчета, численному и экспериментальному исследованию динамических процессов при газификации твердого пористого горючего в комбинированном заряде низкотемпературного газогенератора с последовательным расположением твердого самогорящего топлива и горючего для генерации углеводородных газов. В отчетном периоде проведены численные исследования процесса газификации твердых пористых горючих топлив при одновременном варьировании длины газификатора, температуры газа на его входе и скорости фильтрации поступающего в газификатор горячего газа. Расчеты проведены с использованием разработанной математической модели и реализованного в прикладном пакете OpenFOAM оригинального решателя. Получены расчетные зависимости, характеризующие влияние варьирования указанных параметров на предельное время работы газификатора и на временную зависимость отношения массового расхода продуктов газификации к массовому расходу инертного газа на выходе из газификатора при использовании в качестве топлива трех гранулированных полимеров – полиметилметакрилата, полиэтилена и уротропина; выявлены основные закономерности процесса газификации гранулированных горючих материалов при указанных условиях. Проведенный анализ обнаруженной на предыдущем этапе проекта нелинейной зависимости времени работы газификатора от его длины показал, что непропорциональное увеличение времени работы газификатора при увеличении его длины вызвано запаздыванием процесса газификации в начальный момент времени: процесс газификации всегда начинается с некоторой задержкой, которая зависит от различных параметров, но не зависит от длины газификатора. При этом скорость волны газификации также зависит от различных параметров – она растет при увеличении как температуры газа на входе в газификатор, так и скорости фильтрации поступающего в газификатор горячего газа – но не зависит от длины газификатора. Важным научным результатом является обнаруженная закономерность, согласно которой при одинаковом изменении длины газификатора и скорости фильтрации входящего газа (то есть, при неизменном соответствующем числе Струхаля) ключевые характеристики процесса, в том числе время работы газификатора и временная зависимость относительного массового расхода продуктов газификации, остаются неизменным. Эта закономерность наблюдалась для всех параметров процесса, с которыми проводились расчеты: для всех видов топлива при всех диапазонах скоростей и температур входящего в газификатор газа. Проведено исследование влияния параметров пористой среды на нелинейность фронта газификации твердого топлива в потоке высокотемпературного газа. Параметрическое исследование процесса газификации позволило выявить определяющие параметры, влияющие на искривление фронта газификации, и помогло выявить закономерности этого явления. Во-первых, кривизна фронта сублимации обусловлена наличием пограничного слоя на стенке канала. В области около стенки скорость потока ниже, чем в ядре течения, за счет этого теплообмен с твердой фазой замедляется, что приводит к снижению скорости сублимации вдоль поверхности стенки. Вторым определяющим фактором, влияющим на кривизну фронта газификации, является интенсивность теплообмена между фазами за счет изменения начального диаметра частиц пористой среды. Уменьшение начального диаметра гранул твердого топлива в засыпке приводит к увеличению интенсивности теплообмена. При этом искривление фронта проявляется в виде «языка», вытягивающегося над пограничным слоем. Увеличение диаметра гранул в свою очередь приводит к увеличению ширины фронта газификации твёрдого топлива и замедлению процесса сублимации. Варьирование других характеристик пористого тела и набегающего потока в выбранном диапазоне не оказывает такого ярко выраженного эффекта на фронт газификации. Усовершенствована математическая технология прямого моделирования сублимации твердого вещества в симметричной и осесимметричной постановке. Произведена модификация пользовательской функции посредством изменения способа нахождения наплавляющего вектора для перемещения узлов границы раздела фаз. Для узлов, принадлежащих двум граням одновременно, в качестве направляющего вектора для перемещения узлов использовался не вектор нормали к одной из граней, а результат сложения нормальных векторов обеих граней, либо сумма векторов, направленных воль каждой грани, что позволяет избегать пересечения узлов и тем самым отказаться от функции перераспределения узлов границы. Сравнительный анализ результатов расчетов в прямой постановке с результатами, получаемыми экспериментально и при помощи континуального подхода показал, что различие в постановке задачи приводит к различию в интенсивности конверсии вещества на различных этапах сублимации. Показано, что в случае прямого моделирования в рассмотренной постановке, температура набегающего потока оказывает влияние на изменение формы тела в результате сублимации. Экспериментально изучено влияние размера частиц уротропина на характеристики его газификации в условиях низкотемпературного газогенератора. Показано, что снижение размера частиц приводит к замедлению скорости подъема температуры газа на выходе из реактора. До температуры примерно 300 оС увеличение температуры газа шло медленнее, чем после этого значения. Это связано с интенсивной газификацией уротропина в этом температурном интервале. Увеличение среднего размера частиц с 2 до 6 мм приводит к снижению времени газификации с 370 до 230 с, а дельнейшее увеличение размера практически не сказывается на времени газификации. Хроматографический анализ газообразных продуктов показал, что они состоят практически из азота с малым содержанием водорода и легких углеводородов. Это означает, что уротропин в условиях проведенных экспериментов газифицируется в виде мономера, практически не разлагаясь на простые вещества. Таким образом, можно сделать вывод, что есть значение размера частиц, выше которого характеристики газификации практически не зависят от этого параметра. Влияние размера частиц на характеристики газификации проявляются только для значений размера ниже определенного. Это объясняется снижением проницаемости засыпки при снижении размера частиц.

Публикации

2. Луценко Н.А. On Improved Model of Solid Porous Fuel Gasification in Low-Temperature Gas Generator for Flying Vehicle AIP Conference Proceedings (год публикации - 2021)

4. Фецов С.С., Ким А.С. A Novel OpenFOAM Solver for Modelling Thermo- and Fluid Dynamic Processes in Porous Media AIP Conference Proceedings (год публикации - 2021)

Возможность практического использования результатов
Для более эффективного освоения и использования воздушного пространства ведутся активные исследования по развитию высокоскоростных летательных аппаратов, оснащаемых прямоточным воздушно-реактивным двигателем, работающим на твердом топливе. Опыт, накопленный современным двигателестроением, показывает, что ракетные двигатели на твердом топливе по своей надежности и по уровню эксплуатационных затрат существенно превосходят жидкостные ракетные двигатели. Однако при больших скоростях полета, характерных для перспективных прямоточных воздушно-реактивных двигателей, температура торможения набегающего потока воздуха достигает высоких значений, которые не позволяют использовать его в качестве охладителя завесной системы охлаждения. Поэтому для высоких скоростей полёта наиболее часто рассматривается активное охлаждение двигателя посредством углеводородного топлива, размещенного на борту летательного аппарата. Для реализации подобных летательных аппаратов необходимо использование комбинированных зарядов, состоящих из основного твердого топлива и испаряемого твёрдого горючего. Данная схема предполагает организацию охлаждения материалов конструкции летательного аппарата конвективным потоком продуктов газификации испаряемого твердого горючего. Проект направлен на разработку численной модели и создание программного комплекса для расчета процессов газификации твердого горючего в низкотемпературном газогенераторе высокоскоростного летательного аппарата. Изучение закономерностей этих процессов и определение пределов устойчивости фронта газификации твердого горючего для генерации углеводородных газов является фундаментальной проблемой, которая при этом имеет важную практическую направленность. Планируемые исследования процесса и устойчивости фронта газификации твердого горючего позволят выявить фундаментальные закономерности и получить новые знания, необходимые для развития технологий создания комбинированных зарядов низкотемпературного газогенератора высокоскоростного летательного аппарата. Такие знания необходимы для определения условий работы системы охлаждения материалов конструкции летательного аппарата, а также для расчета тяги двигателя.