Сверхзвуковое горение может быть очень опасно и очень полезно

В Институте автоматизации проектирования РАН занимаются математическим моделированием течений с химическими реакциями в сложных системах.

Что общего может быть у таких, казалось бы, далеких друг от друга проблем, как создание перспективного ракетного двигателя и экологически чистая утилизация мусорных отходов? И как это может быть связано с тем, что при неосторожном обращении со снарядом артиллерийской системы он может взорваться? Оказывается, во всех перечисленных примерах определяющую роль — созидательную или разрушительную — может играть волна быстрого (сверхзвукового) горения химически реагирующей среды, которая называется волной детонации.

За счет своих экстремальных свойств по сравнению с другими режимами горения управляемое детонационное горение привлекает исследователей потенциальным выигрышем в эффективности при создании перспективных силовых установок. Если мы обратимся к структуре самой детонационной волны (это ударная волна с присоединенной зоной химических реакций) и течения, которое за ней формируется, то становится понятным и интерес к другим приложениям. Воздействие лидирующей ударной волны и следующего за ней с огромной скоростью горячего потока газа способно расплавить и превратить в пыль бытовые отходы, при сжигании которых обычным способом образуются вредные химические соединения. Однако также понятно, что если подобный режим горения сформируется неожиданно — из-за какой-либо аварии, как, например, при сильном ударном воздействии на заряд конденсированного взрывчатого вещества в артиллерийском снаряде, то он может привести к большим разрушениям.

Возможность практического применения детонации в перечисленных приложениях, помимо инженерных трудностей, сталкивается с фундаментальными проблемами. Например, как инициировать подобное сверхзвуковое горение? Оно требует значительных затрат энергии, и может оказаться, что выигрыш от использования детонационного сжигания топлива сведется на нет затратами на его организацию. Или каким образом перевести детонационную волну из канала меньшего диаметра, где ее легче инициировать, в канал большего, где в процесс горения вовлекается большая масса газа, но детонация при этом может затухнуть и перейти в дозвуковое горение?

Изучать подобные явления в натурном эксперименте весьма затруднительно. Детонационная волна в углеводородных смесях с воздухом распространяется со скоростями несколько километров в секунду, давление за фронтом — десятки атмосфер. Более того, процессы формирования и распространения детонации характеризуются многомерными особенностями, которые часто нельзя исключать из рассмотрения для получения реалистичных результатов. Поэтому для исследования именно подобного класса течений широко применяется математическое моделирование, точнее — численное моделирование, в том числе с использованием суперкомпьютеров. Несмотря на наличие большого количества существующих программных сред (их называют пакетами) для моделирования течений жидкости и газа, получение новых фундаментальных знаний о течениях сред с учетом сложных физико-химических процессов почти всегда требует разработки специальных вычислительных технологий. Речь идет об уравнениях в частных производных (математической модели), численном методе, инфраструктурных решениях из области прикладного программирования. Для комплексных нелинейных задач вычислительная технология, как правило, является неотъемлемой частью итогового результата. Здесь, на стыке вычислительной математики и механики реагирующих сред, и рождаются новые результаты, представления и концепции о детонации.

Одним из интересных способов инициирования детонации является взаимодействие относительно слабой ударной волны со стенками канала. Многие в детстве развлекались с увеличительным стеклом, фокусируя солнечные лучи в маленьком пятне, настолько горячем, что можно было воспламенить бумагу или выжечь дерево. Здесь работает похожий принцип, только фокусируются не солнечные лучи, а поток газа в криволинейном отражателе.

На рис. 1 показаны результаты расчетов процесса подобной газодинамической фокусировки и последующего воспламенения водородно-кислородной смеси. Поток распространяется слева направо и попадает в отражатели эллиптической формы. В верхней половине канала использована визуализация, воспроизводящая экспериментальную теневую съемку. Она отчетливо показывает основные волны, которые образуются в задаче (черные линии). Для визуализации течения в нижней половине канала использована температура газа. Синий цвет соответствует низкой температуре в набегающем потоке, зеленый и желтый цвет — области горения смеси, красный цвет — максимальной температуре — там, где в результате фокусировки образовалась детонационная волна. Оказывается, в зависимости от взаимного расположения отражателей (разделены ли они перемычкой или соприкасаются) возможно добиться лучшего эффекта инициирования. Вновь используя аналогию с оптикой, можно сказать, что в случае соприкасающихся отражателей происходит их нежелательная интерференция, в то время как пространственно разнесенные отражатели срабатывают как независимые инициаторы детонации.

Другим примером применения разработанных вычислительных технологий является моделирование распространения детонационной волны в канале переменного сечения, воспроизводящем установку для дробления автомобильных покрышек, разработанную в Объединенном институте высоких температур РАН. Детонационная волна инициируется в узкой части канала, через коническое расширение выходит в канал большего диаметра и далее попадает в рабочую камеру, где могут находиться объекты, подвергаемые ударному воздействию детонационной волны и тепловому воздействию следующими далее продуктов горения. Здесь предметом изучения могут быть критические условия выхода детонационной волны из узкого канала в широкий, то есть в конечном итоге оптимальная геометрия установки с точки зрения соотношения между ее размерами и достигаемым эффектом.

Разворачивающаяся сегодня в мире пандемия коронавируса показывает, насколько мало мы до сих пор знаем об окружающем нас мире. Или, возможно, даже хуже: ошибочно думаем, что знаем. Штатно работающих летательных аппаратов на детонационной тяге пока не создано. И промышленных установок по детонационному сжиганию мусора тоже. Значит, нам есть куда стремиться и есть стимулы продолжать наши исследования.

Павел Уткин, кандидат физико-математических наук, доцент, старший научный сотрудник Института автоматизации проектирования РАН