Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Воздействие высокотемпературных газовых потоков на легкоплавкие материалы, обладающие достаточно низкой температурой плавления, встречается в различных областях науки, техники и производственных процессах. Разогрев приповерхностных твердых слоев приводит к образованию на поверхности тонкой жидкой пленки расплава, взаимодействующей с газовым потоком. При достаточной разнице скоростей на границе раздела газ – расплав развивается неустойчивость Кельвина – Гельмгольца, возникают волны, происходит диспергирование, срыв капель расплава и их унос потоком. Кроме того, при достаточной температуре газа происходит самовоспламенение паров и капель расплава. За отчетный период выполнены экспериментальные, теоретические и численные исследования, проливающие свет на теплофизические и гидродинамические механизмы взаимодействия фаз при воздействии высокотемпературного газового потока на легкоплавкий материал. Исследования проводились по следующим основным направлениям: - эксперименты по обдуву образцов из парафина высокотемпературным потоком воздуха в широком диапазоне расходов газа, температур и давлений, исследование области параметров, где происходит самовоспламенение горючего материала; - исследование плавления образца в отсутствие зажигания, включая образование волн на границе расплава и диспергированных капель расплава; - определение границы области зажигания на плоскости «температура газа – массовый поток газа»; - определение зависимости периода индукции (задержки зажигания) от температуры и массового потока газа; - разработка, валидация и верификация вычислительной модели плавления и уноса расплава с учетом наличия границы раздела «расплав – газ» и фронта плавления; - разработка архитектуры программы для обобщения результатов экспериментов и расчетов. Эксперименты проводились на установке, в которой давление от 1 МПа до 4 МПа создается в ресивере, после чего воздух поступет через мерное сопло в нагреватель кауперного типа. Перепад давления между ресивером и внутренним объемом нагревателя всегда поддерживался сверхкритическим, что позволяло контролировать расход воздуха через установку (как средний за время опыта, так и текущий). Расход воздуха изменялся в диапазоне 0.05 – 0.2 кг/с, температура в каупере устанавливалась в диапазоне 300-750°С, диапазон регулирования давления в рабочей камере составляет 0.1…2.0 МПа. В качестве легкоплавкого твердого топлива использовался парафин марки П-2 (изготовленный по ГОСТ 23683-89) с температурой плавления 52–54°С. Испытуемые образцы имели прямоугольную форму со скошенным входным участком, максимальные размеры образца составляли 185х50х20 мм. В ходе экспериментальных работ основная серия опытов включала 41 эксперимент с варьированием температуры на входе в камеру в диапазоне 580–905 К при начальном расходе воздуха 0.064–0.225 кг/с. Показано, что самовоспламенение и горение парафина происходит при температурах воздуха на входе в рабочую камеру выше 770 К и расходах более 0.1 кг/с. Построена граница области зажигания, разделяющая режимы с горением и без него. Для условий обдува образца воздухом установлено, что воспламенение и горение происходят в рециркуляционной зоне за образцом, которая играет роль стабилизатора пламени. В ряде экспериментов наблюдались аномальные (неустойчивые) режимы горения, когда после самовоспламенения парафина происходило либо полное погасание, либо возникали значительные колебания давления в рабочей камере, сопровождающиеся колебаниями яркости зоны горения и колебаниями струи продуктов сгорания, истекающих из сопла. По результатам проведенных экспериментов получены зависимости массовой скорости регрессии парафина как функции входной температуры и массового потока газа, рис. 9. Для описания полученной экспериментальной базы данных построена билинейная аппроксимация, точность которой не хуже 6% в экспериментах без горения и 11.3% с горением. Построена упрощенная тепловая модель регрессии образца под действием теплового потока от горячего газа, включающая эмпирические зависимости для потока тепла и вязкости газа. Показано, что модель хорошо описывает как собственные данные по скорости регрессии, полученные в настоящем проекте, так и литературные данные, причем как с горением, так и с плавлением парафина. Численное моделирование процесса взаимодействия горячего газа с легкоплавким материалом проводилось в программном пакете OpenFOAM на основе модифицированного расчетного модуля, учитывающего особенности рассматриваемых процессов. Проведены численные расчеты плавления парафина в высокотемпературном газовом потоке для условий нескольких экспериментов с различной температурой и давлением на входе в камеру, а также расходом газа, что позволило исследовать влияние данных параметров на скорость регрессии топлива. Погрешность результатов расчета относительно экспериментальных данных не превышает 10%, воспроизводится основная наблюдаемая в эксперименте зависимость – скорость регрессии повышается при увеличении температуры воздуха и его расхода. Методом макросъемки проанализированы экспериментальные данные (съемка с большим увеличением) и результаты численных расчетов по характеристикам волн на поверхности расплава, получены характерные длины волн на границе слоя расплава. Для более адекватного описания диспергирования расплава будет применяться численное моделирование в трехмерной постановке. Для обобщения результатов экспериментов и расчетов в проекте предусмотрено создание специализированной программы на основе нейронных сетей. За отчетный период осуществлена разработка архитектуры программы. В качестве типа нейронной сети, достаточного для целей проекта, выбран многослойный перцептрон, реализация будет осуществляться в программе на языке Python c возможностью гибкого изменения числа нейронов в слое и числа слоев. Программа будет использована для планирования экспериментов и расчетов, а также для анализа полученных зависимостей. Все запланированные исследования за отчетный период выполнены, полученные результаты и созданное программное обеспечение являются надежным базисом для успешного выполнения проекта в целом.