Моделирование детонационного режима, возбуждаемого турбулизацией процесса горения

Цели. Объектом исследования являются критические процессы с избыточной энергией, к которым относятся процессы горения и взрыва, разрушения материалов, кристаллизации, спекания материалов и др. Предметом исследования являются результаты численного моделирования турбулизации процесса горения (ламинарно-турбулентного перехода) и закономерностей явлений, связанных с ламинарно-турбулентным переходом в критических процессах.

Методы. Использован термодинамический анализ, обозначивший траектории эволюции системы и показавший, что в процессе горения существуют области устойчивости ламинарного горения, а также метастабильные и лабильные области, где ламинарное горение неустойчиво. Применен энергетический подход к решению задач исследования, при котором основное внимание уделяется вопросам изучения перераспределения избыточной энергии и формирования отличительных признаков структуры и параметров объекта и процессов.

Результаты. Представлены результаты численного эксперимента вибрационного режима турбулизации процесса горения, как взаимодействие резонанса Раушенбаха и ламинарно-турбулентного перехода. На многообразии локального равновесия смоделирован резонанс при накачке кинетической энергии, реализующий сброс избыточной энергии. Для пояснения возникающих при этом новых понятий описан резонанс адиабатического гидродинамического процесса и показана возможность избежать резонанс через механизм сброса избыточной энергии турбулизацией ламинарного процесса, что подтверждается результатами натурных экспериментов.

Выводы. Показано, что в вибрационном горении можно избежать резонанс за счет срыва с многообразия локального равновесия турбулизацией ламинарного процесса (приближения локального равновесия) при накачке кинетической энергии. В процессе горения существуют области устойчивости ламинарного горения, а также метастабильные и лабильные области, где ламинарное горение неустойчиво. Это не означает, что в области устойчивости не будут наблюдаться признаки турбулентности при ее развитом состоянии и в этих областях диффузия возмущений будет их размывать, тогда как в областях неустойчивости процесс «отрицательной» (кановской) диффузии будет их концентрировать. Сделано предположение, что области неустойчивости гомогенной системы являются источниками возмущений, а области устойчивости – «стоками».

1. Cahn J.W., Hillard J.E. Free energy of a nonuniform system. 1. Interfacial free energy J. Chem. Phys. 1958;28(2):258–271. https://doi.org/10.1063/1.1744102

2. Cahn J.W. Spinodal decomposition. Acta Metall. 1961;9(9):795–811. https://doi.org/10.1016/0001-6160(61)90182-1

3. Дебай П. Избранные труды. Л.: Наука; 1987. 559 с.

4. Радкевич Е.В., Лукашев Е.А., Яковлев Н.Н., Васильева О.А., Сидоров М.И. Введение в обобщенную теорию неравновесных фазовых переходов и термодинамический анализ задач механики сплошной среды. М.: Изд-во МГУ; 2019. 342 с.

5. Раушенбах Б.В. Вибрационное горение. М.: Физматгиз; 1961. 500 с.

6. Радкевич Е.В., Васильева О.А., Сидоров М.И., Ставровский М.Е. О резонансе Раушенбаха. Вестник Московского университета. Серия 1: Математика, Механика. 2021;3:54–65.

7. Радкевич Е.В., Яковлев Н.Н., Васильева О.А. Вопросы математического моделирования вибрационного горения. Доклады Российской академии наук. Математика, информатика, процессы управления. 2020;495:69–73. https://doi.org/10.31857/S2686954320060144

8. Radkevich E.V., Yakovlev N.N., Vasil’eva O.A. Questions and problems of mathematical modeling qua nonequilibrium of combustion processes. Eurasian J. Math. Computer Appl. 2020;8(4):31–68. https://doi.org/10.32523/2306-6172-2020-8-4-31-68

9. Шиплюк А.Н., Бунтин Д.А., Маслов А.А., Чокани Н. Нелинейные механизмы начальной стадии ламинарно-турбулентного перехода при гиперзвуковых скоростях. Прикладная механика и техническая физика. 2003;44(5):64–71.

10. Лукашевич С.В., Морозов С.О., Шиплюк А.Н. Исследование стабилизации высокоскоростного пограничного слоя с помощью пористых покрытий (обзор). Прикладная механика и техническая физика. 2023;64(4):27–45. https://doi.org/10.15372/PMTF202215169

11. Morozov S.O., Lukashevich S.V., Shiplyuk A.N. Hypersonic Boundary Layer Instability and Control by Passive Porous Coatings. In book: Sherwin S., Schmid P., Wu X. (Eds.). IUTAM Laminar-Turbulent Transition. IUTAM Bookseries. Springer; 2023. V. 38. P. 613–619. https://doi.org/10.1007/978-3-030-67902-6_53

12. Радкевич Е.В., Васильева О.А., Яковлев Н.Н., Сидоров М.И., Ставровский М.Е. Математическое моделирование детонационного горения. М.: Типография «Эко-Пресс»; 2024. 200 с.

13. Зельдович Я.Б., Баренблат Г.И., Либрович В.Б., Махвиладзе Г.М. Математическая теория горения и взрыва. М.: Наука; 1980. 472 с.

14. Скрипов В.П., Скрипов А.В. Спинодальный распад (фазовый переход с учетом неустойчивых состояний). Успехи физических наук. 1979;128(2):193–231. https://doi.org/10.3367/UFNr.0128.197906a.0193

15. Хакен Дж. Синергетика: пер. с англ. M.: Мир; 1980. 405 с.