Экспериментальные исследования физических механизмов горения микроструй водорода

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 22-19-00151

НазваниеЭкспериментальные исследования физических механизмов горения микроструй водорода

Руководитель Козлов Виктор Владимирович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук , Новосибирская обл

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-403 - Водородная энергетика

Ключевые слова Диффузионное горение, круглая и плоская микроструя водорода, “область перетяжки пламени”, профиль скорости, начальные и граничные условия

Код ГРНТИ44.31.39

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Возможности использования водорода в энергетических целях известны давно, и интерес к ним проявлялся не один раз: в 1970 е годы – в связи с нефтяными кризисами, в 2000 е годы – в связи с ростом озабоченности изменением климата. Это стимулировало соответствующие исследования и разработки (с акцентом на транспорт), но масштабного практического внедрения водородных технологий не происходило. Ситуация стала меняться по мере того, как всё больше стран начали стремиться к устойчивому развитию в области энергетики, к переходу в углеродно-нейтральное состояние, к поддержке энергетического перехода как концепции безуглеродной энергетики будущего, осознав, при этом, что только на путях использования возобновляемых источников энергии этой цели не добиться. Водород стал важнейшей составляющей политики перехода в углеродно-нейтральное состояние всех стран, объявивших о таких целях. Не осталась в стороне и Россия, которая приняла план мероприятий «Развитие водородной энергетики в Российской Федерации». Исследованию устойчивости и турбулизации переходных сдвиговых течений, таких как двумерный и трехмерный пограничный слой авторы проекта посвятили многие годы исследований и эти результаты опубликованы в монографии: Boiko A.V., Dovgal A.V., Grek G.R., Kozlov V.V. Physics of Transitional Shear Flows. // Dordrecht: Springer, 2012, 298 стр. В этих работах рассмотрены различные виды неустойчивостей пристенных сдвиговых течений, такие как линейная и нелинейная стадия неустойчивости волн Толлмина – Шлихтинга, неустойчивость вихрей Гертлера, «cross flow instability» неустойчивость на скользящих крыльях, неустойчивость полосчатых структур при низкой и повышенной степени турбулентности набегающего потока, синусоидальная и варикозная неустойчивость пограничного слоя, модулированного полосчатыми структурами, и т.д. Существует прямая связь между неустойчивостью пристенных (пограничный слой) сдвиговых течений и свободных сдвиговых течений (макро – и микроструй). Например, в обоих ситуациях можно наблюдать синусоидальную и варикозную неустойчивость, наличие в обоих случаях полосчатых структур и их неустойчивость, или появление трехмерных вихревых структур типа омега – образных вихрей и т.д. Прежде, чем приступить к исследованию неустойчивости и турбулизации микроструйных течений, руководителем проекта и его ответственными исполнителями были проведены детальные экспериментальные исследования механизмов развития и процессов турбулизации круглых и плоских макроструйных течений. Результаты этих исследований показали, что механизм разрушения круглой макроструи с «ударным» (английский термин «top – hat») профилем скорости на срезе сопла связан с неустойчивостью Кельвина – Гельмгольца. Двумерные кольцевые вихри Кельвина – Гельмгольца, взаимодействуя с полосчатыми структурами, трехмерно деформировались с образованием на их периферии лямда или омега – образных структур, вихревая динамика которых приводила к турбулентному разрушению макроструи. С другой стороны, исследованиями неустойчивости круглой макроструи с параболическим профилем скорости на срезе сопла установлено отсутствие кольцевых вихрей Кельвина – Гельмгольца, сохранение ламинарного течения макроструи большой дальнобойности и процесс ее турбулизации может быть связан, в частности, с неустойчивостью к слабому поперечному потоку. Показано, что неустойчивость плоской макроструи связана с синусоидальной модой неустойчивости, подавляющей первичную варикозную моду неустойчивости. Этот процесс приводил к синусоидальному колебанию макроструи, как единого целого. Установлено, что плоская макроструя с «ударным» профилем скорости на срезе сопла имеет две независящих друг от друга области неустойчивости, расположенные по левой и правой узкой границе макроструи с мощным градиентом скорости. Результаты этих исследований детально представлены в в известных журналах и обобщены в монографиях : Kozlov V.V., Grek G.R., Litvinenko Yu.A., Visualization of Conventional and Combusting Subsonic Jet Instabilities // Dordrecht: Springer-book, 2015, 127 стр. Опираясь на полученные знания о механизмах развития и разрушения макроструй, проведены экспериментальные исследования по изучению механизмов развития и разрушения микроструй, а также их горения. Установлено, что круглая микроструя подвержена уплощению и бифуркации в поперечном акустическом поле. Показано, что круглая и плоская микроструя подвержены бифуркации в поперечном акустическом поле по причине их синусоидальной неустойчивости. Выявлены особенности воздействия поперечного акустического поля на характеристики и механизм развития плоской микроструи в зависимости от соотношения l/h, где l – длина щели сопла, h – ширина щели сопла. Результаты и знания о природе и физических механизмах развития микроструй, полученные при этом, явились основанием для экспериментальных исследований механизма горения как круглых, так и плоских микроструй, поскольку в процессах перемешивания неустойчивости и ламинарно - турбулентный переход играют большую роль. например нами показано, что процесс бифуркации пламени под воздействием поперечного акустического поля при диффузионном горении пропана в круглой и плоской микроструе коррелирует с аналогичным процессом развития микроструи в отсутствии ее горения Данные, полученные в результате планомерного, постепенного и целенаправленного экспериментального исследования устойчивости струйных течений, начиная с макро и до микроуровня, включая микроструйное горение пропана, позволяют нацелиться на проведение и детальное понимание механизмом микроструйного горения водорода. Поэтому перспективным является экспериментальное изучение механизмов диффузионного горения водорода, при дозвуковой и сверхзвуковой скорости истечения, круглых и плоских микроструй. Будут показаны особенности горения данных течений в зависимости от изменений начальных условий на срезе сопла, скорости их истечения и горения водорода в смеси с другими газами. Изучено новое явление при горении микроструи водорода, связанное с образованием, так называемой, «Области перетяжки пламени».

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Яковенко С.Н., Козлов В.В. ВИБРАЦИОННОЕ ВОЗБУЖДЕНИЕ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ СТРУЙНЫМИ ТЕЧЕНИЯМИ Институт теплофизики СО РАН, Новосибирск, XXXVIII СИБИРСКИЙ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЙ СЕМИНАР (год публикации - 2022)
10.53954/9785604859551_333

2. Козлов В.В., Литвиненко М.В., Литвиненко Ю.А.,Тамбовцев А.С. , Шмаков А.Г. Исследование режимов диффузионного горения микроструи водорода СИБИРСКИЙ ФИЗИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, Сибирский Физический Журнал 2022 Вып 3 (год публикации - 2022)

3. Довгаль А.В.,Козлов В.В.,Литвиненко М.В., Литвиненко Ю.А., Шмаков А.Г. Режимы горения микроструй водорода ПМТФ (год публикации - 2023)

4. Козлов В.В., Литвиненко М.В., Литвиненко Ю.А., Тамбовцев А.С., Шмаков А.Г. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МИКРОСТРУЙ ВОДОРОДА В ПРОЦЕССЕ ДИФФУЗИОННОГО ГОРЕНИЯ Сибирское отделение РАН, Институт теплофизики СО РАН, XXXVIII СИБИРСКИЙ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЙ СЕМИНАР (год публикации - 2022)
10.53954/9785604859551_159

Публикации

1. Тамбовцев А.С., Козлов В.В., Литвиненко Ю.А., Литвиненко М.В., Шмаков А. Г. ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ФАКЕЛА ПРИ СТОЛКНОВЕНИИ ДВУХ СТРУЙ ВОДОРОДА Отпечатано в типографии «Срочная полиграфия» ИП Малыгин Алексей Михайлович 630090, Новосибирск, пр-т Академика Лаврентьева, 6/1, оф.104, Всероссийская конференция "XXXIX Сибирский теплофизический семинар", посвящённой 90-летию академика А.К. Реброва, 28–31 августа 2023, Новосибирск,.с.250 (год публикации - 2023)

2. Козлов В.В., Литвиненко Ю.А., Катасонов М.М., Шмаков А. Г. ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ФАКЕЛА ПРИ СТОЛКНОВЕНИИ ДВУХ ЛАМИНАРНЫХ ГАЗОВЫХ СТРУЙ Отпечатано в типографии «Срочная полиграфия» ИП Малыгин Алексей Михайлович 630090, Новосибирск, пр-т Академика Лаврентьева, 6/1, оф.104, Всероссийская конференция "XXXIX Сибирский теплофизический семинар", посвящённой 90-летию академика А.К. Реброва, 28–31 августа 2023, Новосибирск,.с.229 (год публикации - 2023)

3. Катасонов М.М., Козлов В.В., Литвиненко Ю.А., Шмаков А.Г. РАЗЛИЧНЫЕ РЕЖИМЫ ГОРЕНИЯ ПЛОСКОЙ МИКРОСТРУИ ВОДОРОДА НА ДО- И СВЕРХЗВУКОВОЙ СКОРОСТИ ИСТЕЧЕНИЯ ИЗ СОПЛА Отпечатано в типографии «Срочная полиграфия» ИП Малыгин Алексей Михайлович 630090, Новосибирск, пр-т Академика Лаврентьева, 6/1, оф.104, Всероссийская конференция "XXXIX Сибирский теплофизический семинар", посвящённой 90-летию академика А.К. Реброва, 28–31 августа 2023, Новосибирск,.с.236 (год публикации - 2023)

4. Козлов В. В., Литвиненко Ю. А., Катасонов М. М., Сарычев Д. В., Шмаков А. Г. ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ФАКЕЛА ПРИ СТОЛКНОВЕНИИ ДВУХ ЛАМИНАРНЫХ ГАЗОВЫХ СТРУЙ Изв. РАН. МЖГ. 2023. № 4. С. 131-136., Изв. РАН. МЖГ. 2023. № 4. С. 131-136. (год публикации - 2023)
10.31857/S1024708422601007

5. Козлов В. В., Довгаль А.В., Литвиненко М. В., Литвиненко Ю. А., Шмаков А. Г. Diffusion combustion of microjets modulated by dean vortices International Journal of Hydrogen Energy, Published by Elsevier Ltd, International Journal of Hydrogen Energy Volume 48, Issue 76, 5 September 2023, Pages 29798-29807 (год публикации - 2023)
10.1016/j.ijhydene.2023.04.072

6. Козлов В. В., Довгаль А.В., Литвиненко М. В.,и др. Regimes of Combustion of Hydrogen Microjets 16th International Conference on Fluid Control, Measurements, and Visualization Beijing, China, November 26-30, 2023 (год публикации - 2024)

7. Катасонов Михаил, Козлов Виктор, Литвиненко Юрий, Шмаков Андрей Scenarios of combustion of plane hydrogen microjets at sub- and supersonic velocities E3S Web of Conferences, E3S Web of Conferences Volume 459 (2023) XXXIX Siberian Thermophysical Seminar (STS-39) (год публикации - 2023)
10.1051/e3sconf/202345906004

8. Козлов Виктор, Литвиненко Юрий, Катасонов Михаил, Шмаков Андрей Features of the formation of a flame at a collision of two laminar gas jets E3S Web of Conferences, E3S Web of Conferences Volume 459 (2023) XXXIX Siberian Thermophysical Seminar (STS-39) (год публикации - 2023)
10.1051/e3sconf/202345906005

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
С использованием тепловизионной камеры получены снимки диффузионного водородного факела и проведено сравнение с результатами, полученными с использованием метода Теплера, с целью определения режимов при дозвуковом истечении газа. По полученным с использованием тепловизионной камеры температурных изоконтуров установлено: 1. Характерная топология ламинарного режима, при малых скоростях истечения водорода. 2. Определена двухзонная структура факела, установлено наличие области ламинарно - турбулентного перехода. 3. Определен режим частичного срыва пламени: срыв турбулентной области факела с сохранением ламинарного участка горения. 4. Топология структуры поднятого водородного факела при сверхзвуковом истечении. 5. Проведено сравнение структур, возникающих при взаимодействии двух одиночных микроструй водорода при диффузионном горении, с дозвуковым и сверхзвуковым истечением из сопел. Проведены экспериментальные исследования процесса взаимодействия двух воздушных сталкивающихся под острым, по отношению к осям симметрии струй, углом микроструй. Оси симметрии микроструй лежат в одной плоскости. В результате столкновения микроструй образуется единая струя, развивающаяся в ортогональной плоскости по отношению к вышеупомянутой плоскости микроструй. В результате экспериментальных исследований взаимодействия воздушных микроструй, были получены сценарии развития вторичной струи при столкновении двух воздушных микроструй в естественных условиях и в условиях внешнего акустического воздействия. Установлена возможность управления развитием вторичной струи акустическим воздействием. За третий год реализации проекта опубликовано 5 статей в изданиях индексируемых Web of Science Core Collection, Scopus и RSCI, включая журнал International Journal of Hydrogen Energy (Q1). Также в 2024 г. руководитель и исполнители проекта представили научному сообществу результаты исследований в виде 6 докладов на российских и международных конференциях: (XXII Международная Конференция по Методам Аэрофизических Исследований, Россия, Новосибирск, 1 – 5 июля 2024 г. (Приглашенный доклад). - Kozlov V.V. Regimes of combustion of hydrogen microjets. Congress ICTAM2024, August 25-30, 2024, Daegu, Korea (устный доклад). Litvinenko Yu.A. Features of gas dynamics and combustion of two colliding laminar minijets. Congress ICTAM2024, August 25-30, 2024, Daegu, Korea (устный доклад) и др. Проведение данных исследований мотивировано необходимостью фундаментальных исследований горения водородных микроструй и возможности использования водорода в энергетических целях, на пути создания новых типов микрогорелок и возможности управления горящими водородными микроструями, обеспечения энергоподвода в различные области потока. Данные исследования показали возможность обеспечения стабильного горения водорода в широком диапазоне скоростей истечения до 2500 м/с. При этом трансформация факела протекает по различным сценариям горения, в данном исследовании установлено 4 таких сценария. Следует учитывать, что реализация того или иного сценария будет значительно влиять на характеристики течений. Ряд важных аэродинамических задач таких как, снижение сопротивления давления, сопротивления трения; стабилизация и управление параметрами отрывных зон; управление режимами горения; изменение масштаба турбулентности в потоке., могут быть решены с использованием подобного метода.

Публикации

1. Тамбовцев Александр, Козлов Виктор, Литвиненко Юрий, Павленко Александр, Шмаков Андрей On the features of diffusion combustion of hydrogen microjets E3S Web of Conferences , E3S Web of Conferences: XL Siberian Thermophysical Seminar (STS-40) (Novosibirsk, 20-23 Aug., 2024). –2024. –No. 578. –P. 01036(7). (год публикации - 2024)
10.1051/e3sconf/202457801036578

2. Козлов В.В. REGIMES OF COMBUSTION OF HYDROGEN MICROJETS М: ТОРУС ПРЕСС, Неравновесные процессы : 11 Междунар. симпозиум по неравновесным процессам, плазме, горению и атмосферным явлениям (Сочи, 7–11 окт. 2024 г.) : тез. докл.. –М: ТОРУС ПРЕСС, 2024. –С. 247-252. (год публикации - 2024)
10.30826/NEPCAP11A-67

3. Шмаков А.Г., Козлов В.В., Литвиненко Ю.А., Павленко А.М. Features of the flame structure of a microjet pre-mixed mixture of hydrogen with oxygen when it exits into the air International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 74. –P. 121-127 (год публикации - 2024)
10.1016/j.ijhydene.2024.06.114

4. Литвиненко Ю.А. FEATURES OF GAS DYNAMICS AND COMBUSTION OF TWO COLLIDING LAMINAR MINIJETS ICTAM2024, August 25-30, 2024, Daegu, Korea,, ICTAM2024, August 25-30, 2024, Daegu, Korea, р. 749-750 (год публикации - 2024)

5. Литвиненко Ю.А.,Смяцких А. А. Formation of a secondary jet in the collision of two laminar microjets Сибирское отделение РАН 630090, просп. Акад. Лаврентьева, 17, InternatIonal Conference on the Methods of AerophysIcal Research July 1–5, 2024 Novosibirsk, Russia Abstracts Part II (год публикации - 2024)
DOI 10.53954/9785604990148_120

6. Козлов В.В. ФИЗИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ ГОРЕНИЯ МИКРОСТРУЙ ВОДОРОДА Издательско-полиграфическом центре Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29., XIII Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике Санкт-Петербург, 21-25 августа 2023 года (год публикации - 2023)
10.18720/SPBPU/2/id23-628

7. Козлов В.В. LTT AND REGIMES OF COMBUSTION OF HYDROGEN MICROJETS InternatIonal Conference on the Methods of AerophysIcal Research July 1–5, 2024 Novosibirsk, Russia Abstracts Part I, InternatIonal Conference on the Methods of AerophysIcal Research July 1–5, 2024 Novosibirsk, Russia Abstracts Part I (год публикации - 2024)
DOI 10.53954/9785604990131_74

8. Тамбовцев А. С. ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ СЦЕНАРИЕВ ДИФФУЗИОННОГО ГОРЕНИЯ МИКРОСТРУЙ ВОДОРОДА ПРИ ИХ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ Сибирский физический журнал (год публикации - 2024)

9. Козлов В.В. REGIMES OF COMBUSTION OF HYDROGEN MICROJETS ICTAM2024, August 25-30, 2024, Daegu, Korea,, ICTAM2024, August 25-30, 2024, Daegu, Korea, р. 752-753 (год публикации - 2024)

10. Литвиненко Ю.А., Смяцких А. А., Литвиненко М.В. «Влияние акустического воздействия на сталкивающиеся ламинарные микроструи» Изв. РАН. МЖГ. №6, 2024, Изв. РАН. МЖГ. №6, 2024 (год публикации - 23024)

11. Литвиненко Ю.А., Литвиненко М.В. ФОРМИРОВАНИЕ ФАКЕЛА ПРИ СТОЛКНОВЕНИИ ЛАМИНАРНЫХ ГАЗОВЫХ СТРУЙ Издательско-полиграфическом центре Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29., XIII Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике Санкт-Петербург, 21-25 августа 2023 года (год публикации - 2023)
10.18720/SPBPU/2/id23-628