Многофазные явления при воздействии горячих газов на легкоплавкие горючие материалы: эксперименты и вычислительные модели

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 24-19-00703

НазваниеМногофазные явления при воздействии горячих газов на легкоплавкие горючие материалы: эксперименты и вычислительные модели

Руководитель Якуш 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

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 слова плавление, 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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

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.

Публикации

1. Усанов В.А., Гембаржевский Г.В., Рашковский С.А., Якуш С.Е. Экспериментальное определение параметров самовоспламенения твердого легкоплавкого топлива Тезисы XVII Всероссийского симпозиума по горению и взрыву. Изд-во: Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии Российской академии наук, Черноголовка , Тезисы XVII Всероссийского симпозиума по горению и взрыву, Суздаль, 2024, с. 69-70. (год публикации - 2024)

2. Усанов В.А., Гембаржевский Г.В., Рашковский С.А., Якуш С.Е. Экспериментальное определение параметров зажигания легкоплавкого твердого топлива Сборник "Неравновесные процессы". Общество с ограниченной ответственностью "ТОРУС ПРЕСС", г. Москва, с. 171-175 (год публикации - 2024)
10.30826/NEPCAP11A-47

3. Сиваков Н.С., Усанов В.А. Взаимодействие легкоплавкого твердого топлива с набегающим высокоскоростным потоком нагретого газа Волны и вихри в сложных средах: 15-ая международная конференция – школа молодых ученых; 19 – 22 ноября 2024 г., Москва: Сборник материалов школы. – М.: ООО «ИСПО-принт», 2024. – 273 с., с. 194-197 (год публикации - 2024)

4. Сиваков Н.С., Усанов В.А. Численное и экспериментальное исследование плавления парафина при обдуве высокотемпературным потоком Всероссийская конференция молодых ученых-механиков YSM-2024. Тезисы докладов (4 − 14 сентября 2024 г., Сочи, «Буревестник» МГУ). – М.: Издательство Московского университета, 2024. - 128 c., Всероссийская конференция молодых ученых-механиков YSM-2024. Тезисы докладов (4 − 14 сентября 2024 г., Сочи, «Буревестник» МГУ). – М.: Издательство Московского университета, 2024. c. 105 (год публикации - 2024)

5. Сиваков Н.С., Усанов В.А. Экспериментальное и численное исследование плавления парафина под воздействием потока нагретого воздуха Физико-химическая кинетика в газовой динамике, Т. 25, № 7 (год публикации - 2024)

6. Усанов В.А., Гембаржевский Г.В., Рашковский С.А., Якуш С.Е. Melting and regression of paraffin samples in hot air flow Heat Transfer Research, V. 56, No. 8, pp. 27–44 (год публикации - 2025)
10.1615/HeatTransRes.2024056249

7. Усанов В.А., Гембаржевский Г.В., Рашковский С.А., Якуш С.Е. Critical conditions for self-ignition of a paraffin slab in high-temperature air flow Acta Astronautica (год публикации - 2025)
10.1016/j.actaastro.2025.10.059

8. Рашковский С.А., Усанов В.А., Гембаржевский Г.В., Якуш С.Е. Измерение характеристик плавления и горения образца парафина в потоке горячего воздуха Горение и взрыв (год публикации - 2026)

9. Усанов В.А., Логинов А.А., Сиваков Н.С. Применение алгоритмов компьютерного зрения для анализа волн на поверхности расплава парафина Физико-химическая кинетика в газовой динамике (год публикации - 2025)

10. Усанов В.А., Гембаржевский Г.В., Рашковский С.А., Сиваков Н.С., Якуш С.Е. Исследование процессов плавления и горения парафина при взаимодействии с потоком горячего воздуха ПРОБЛЕМЫ МЕХАНИКИ: ТЕОРИЯ, ЭКСПЕРИМЕНТ И НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ тезисы докладов XIX Всероссийской школы-конференции молодых ученых. Новосибирск, 2025 Издательство: Новосибирский национальный исследовательский государственный университет , С. 155-156 (год публикации - 2025)
10.25205/978-5-4437-1736-4-77

11. Рашковский С.А., Усанов В.А., Гембаржевский Г.В., Якуш С.Е. Особенности воспламенения и горения легкоплавких твердых горючих материалов в высокотемпературном потоке воздуха Международная научно-техническая конференция по авиационным двигателям ICAM 2025 : сборник тезисов / Государственный научный центр РФ «Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова». – М. : ЦИАМ им. П.И. Баранова, 2025. – 1361 с. : ил., С. 796-798 (год публикации - 2025)

12. Усанов В.А., Рашковский С.А., Гембаржевский Г.В., Якуш С.Е., Сиваков Н.С. Особенности самовоспламенения и горения легкоплавких твердых горючих материалов XXVII ВСЕРОССИЙСКИЙ СЕМИНАР С МЕЖДУНАРОДНЫМ УЧАСТИЕМ ПО СТРУЙНЫМ, ОТРЫВНЫМ И НЕСТАЦИОНАРНЫМ ТЕЧЕНИЯМ ЖИДКОСТИ, ГАЗА И ПЛАЗМЫ Материалы докладов. Санкт-Петербург, 2025, С. 256-257 (год публикации - 2025)

13. Якуш С.Е., Рашковский С.А., Усанов В.А. Влияние вязкости расплава на скорость регрессии легкоплавких материалов в потоке горячего газа Физико-химическая кинетика в газовой динамике (год публикации - 2025)

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Исследование взаимодействия легкоплавких горючих материалов с высокотемпературными газовыми потоками представляет интерес в связи с широким кругом приложений, включая создание ракетных двигателей на твердом топливе, производственные процессы с полимерными материалами, переработку отходов. Кроме того, изучение таких взаимодействий важно с точки зрения пожаровзрывобезопасности, поскольку образующиеся при взаимодействии смеси паров и капель легкоплавкого вещества с воздухом при определенных условиях могут быть горючими и самовоспламеняться. В ходе взаимодействия происходит постепенное плавление материала с формированием жидкой пленки расплава. Граница раздела расплава с газовым потоком подвержена развитию неустойчивости Кельвина – Гельмгольца, в результате чего на ней возникают волны, происходит срыв дисперсных капель материала. Смешение капель и паров с потоком создает реакционноспособную смесь, которая при определенных условиях воспламеняется и горит с выделением тепла и образованием продуктов сгорания. В течение отчетного периода, в соответствии с планом работ на 2025 год, продолжены исследования воздействия потоков горячего газа (воздуха) на легкоплавкий материал (парафин). Экспериментальные исследования плавления, диспергирования и горения парафина в потоках горячего воздуха проводились в широком диапазоне варьируемых параметров – температуры, давления и скорости поступающего воздуха. Поступающий в рабочую камеру воздух нагревался до температур 300–750°С, расход воздуха устанавливался в диапазоне 0.05–0.2 кг/с, давление в рабочей камере составляло 0.1…2.0 МПа. В качестве легкоплавкого твердого топлива использовался парафин марки П-2 (ГОСТ 23683-89) с температурой плавления 52–54°С. Испытываемые образцы имели форму параллелепипеда со скошенным под углом 30 градусов входным участком, максимальная длина образца составляла 185 мм. Проведенные эксперименты и их теоретический анализ позволили существенно уточнить границу области самовоспламенения по сравнению с предварительными результатами, полученными на первом этапе проекта. Подтверждено, что самовоспламенение парафина происходит не над поверхностью образца, а в рециркуляционной зоне за образцом, которая служит стабилизатором горения. Исследована задержка зажигания (самовоспламенения) при обдуве образца парафина потоком горячего воздуха в зависимости от температуры и расхода газа. Проведен регрессионный анализ, на основе которого предложена аппроксимационная формула, позволяющая определять задержку зажигания как функцию температуры и расхода газа с точностью не хуже 30%. Исходя из этой зависимости установлена функциональная связь между расходом и температурой газа, при которых время задержки зажигания становится бесконечным, что интерпретировано как граница области зажигания. Построена теория самовоспламенения парафина в рециркуляционной зоне, рассматриваемой как адиабатический реактор идеального перемешивания. В отличие от классической теории реактора идеального перемешивания, что расход горючего (парафина) не является заданным, он определяется скоростью регрессии топлива под действием обдува горячим воздухом. На основе законов сохранения массы и энергии получены условия скачкообразного перехода с низкотемпературной ветви решения на высокотемпературную, которые определяют границу области зажигания. Показано, что обе теории, построенные на основе анализа времени задержки зажигания и адиабатической теории для рециркуляционной зоны, дают правильную границу, разделяющую экспериментальные режимы с зажиганием и без зажигания на плоскости «температура – расход газа». Теоретическое изучение регрессии парафина и течения расплава проводилось аналитическими и численными методами. Аналитическая модель течения расплава построена на основе интегрального уравнения неразрывности (уравнение «мелкой воды») для слоя расплава, решаемого методом характеристик. Получена неявная форма решения, задающая зависимость толщины слоя от времени и координаты, найдено стационарное решение, в котором толщина пленки увеличивается с расстоянием как корень квадратный из продольного расстояния. Более детальное описание процессов плавления парафина при обдуве потоком горячего газа получено методами численного моделирования. Проведено численное моделирование образования и эволюции слоя расплава на поверхности материала, находящегося в потоке газа с высокой температурой. Рассмотрено влияние вязкости расплава на характеристики взаимодействия, включая скорость регрессии материала за счет плавления с последующим течением вдоль поверхности образца и уноса при срыве капель. Построены аппроксимационные зависимости аррениусовского типа для трех зависимостей вязкости от температуры, обобщающие литературные данные. Показано, что полученные в расчетах зависимости скорости регрессии от вязкости расплава хорошо коррелируют с экспериментальными данными. Проведены расчеты обтекания и плавления плоской поверхности и периодического (уступы, впадины) рельефа, интенсифицирующих процесс плавления. Для автоматизированной обработки видеоизображений, полученных в экспериментах и численных расчетах, применены алгоритмы распознавания образов. Для обработки видеофайлов и количественного анализа волновой поверхности реализована программа обработки видеоданных на языке Python с применением библиотеки OpenCV. При помощи разработанной методики обработки изображений проведено сравнение результатов, полученных в экспериментах, с результатами численного моделирования. В качестве основной сопоставляемой характеристики были выбраны функции распределения для длин волн на границе раздела расплава с воздухом, а также для амплитуды этих волн. Продемонстрировано хорошее согласие результатов, что свидетельствует об адекватности разработанной численной методики и хорошем соответствии результатов численных расчетов экспериментам. Для обработки получаемых в проекте результатов и планирования дальнейших экспериментов и численных расчетов разработана специализированная программа на основе нейронных сетей. Результаты «обучения» нейросети на экспериментальных данных подтвердили, что нейросеть корректно воспроизводит наблюдаемую в экспериментах нелинейную зависимость времени задержки зажигания от температуры и расхода газа. Предложена методика измерения продольной силы, возникающей при истечении газов из камеры установки, включающая «очистку» сигнала от шума, связанного с механическими колебаниями установки. Методика опирается на использование измерений статического давления в камере, она представляет собой альтернативу традиционному подходу, требующему анализа спектра сигнала и применения фильтров.

Публикации