Создана новая математическая модель для описания сложных процессов горения

Специалисты Сколтеха разработали математическую модель, которая описывает разнообразные режимы стационарных распространяющихся волн горения, включая как медленные дозвуковые пламени, так и сверхзвуковые детонационные волны.


Горение может проявляться в различных режимах, среди которых сильная детонация является самым интенсивным. Она представляет собой ударную волну, которая вызывает резкое сжатие и нагрев газовой смеси, что приводит к возникновению химической реакции. В этом режиме наблюдается высокая стабильность. Напротив, в случаях слабых детонаций и менее мощных волн горения отсутствует резкий скачок давления: реакция происходит только в уже подогретой смеси. Эти менее интенсивные режимы встречаются гораздо реже и могут легко изменяться в другие типы.

Обычное пламя, в свою очередь, представляет собой медленную дозвуковую волну, и скорость ее распространения определяется тем, насколько быстро тепло прогревает неподогретое топливо перед фронтом реакции. Чтобы разобраться в этих процессах, исследователи применили два методических подхода. Сначала они создали приближенные аналитические формулы, позволяющие изучить структуру волн в разных зонах. Далее, результаты были верифицированы с помощью численных расчетов на основе полной системы уравнений, относящихся к модели.

Такой комбинированный подход дал возможность проанализировать, как при изменении условий варьируются температура, давление и скорость химических реакций. Сравнение с более сложными уравнениями газовой динамики, такими как уравнения Навье-Стокса для сжимаемых реагирующих потоков, оказалось особенно важным. Результаты показали, что даже упрощенная модель может адекватно воспроизводить ключевые физические характеристики процессов горения.

Первый автор работы, аспирант программы «Инженерные системы» Сколтеха Шамиль Магомедов, отметил, что результаты работы демонстрируют, что простые модели могут стать мощным инструментом для анализа сложных динамических процессов. Он добавил, что их модель успешно заменила уравнения Навье-Стокса, что создало основу для дальнейших исследований, включая анализ устойчивости волн и переходных режимов.

По словам Аслана Касимова, доцента Центра искусственного интеллекта Сколтеха и руководителя исследования, классификация всех стационарных режимов послужила первым шагом к более глубокому пониманию. Он подчеркнул важность изучения условий, при которых опасно происходит переход от обычного пламени к взрывному детонационному режиму, так как это имеет непосредственное отношение к управлению процессом горения и предотвращению аварий в двигателях и промышленных установках. Полученные данные могут поспособствовать разработке более безопасных двигателей, технологий сжигания и методов защиты промышленных объектов от нежелательных взрывов.

Читайте также: