НИС 21. Горения в газовых потоках (входит в лаб. 4)

Научно-исследовательский сектор «Горение в газовых потоках»» создан приказом об изменении организационной структуры института после решения Учёного совета о признании несостоявшимся конкурса на замещение вакантной должности заведующего лабораторией «Горение в сверхзвуковом потоке» в мае 2011 года. В НИС переведён весь коллектив сотрудников и сохранены направления фундаментальных и прикладных исследований лаборатории.

В настоящее время подразделение насчитывает 12 сотрудников, из них:

  • научных сотрудников – 6 (5 докторов наук и 1 кандидат)
  • инженерно-технического персонала – 5
  • аспиранты – 1
Тупикин Андрей Викторович
врио руководителя НИС, д.ф.-м.н.
временно исполняющий обязанности руководителя Научно-исследовательского сектора "Горение в газовых потоках"
д.ф.-м.н. Тупикин Андрей Викторович
тел.: (383) 330-39-23
e-mail: tupikin [at] itam.nsc.ru
Направления научных исследований
Развитие импульсно-периодических технологий управления до-, транс- и сверхзвуковыми течениями в энергетических установках, включая процессы горения в ПВРД, и аэродинамическими характеристиками при внешнем обтекании тел:
Исследование активных способов управления газодинамикой при организации рабочего процесса в камерах сгорания, моделирующих условия сверх- и гиперзвукового полёта.
Управление процессом горения и стабилизацией пламени с помощью периодического электрического поля.
Численное и экспериментальное моделирование процесса горения в сверхзвуковом потоке при инициировании плазмой импульсно-периодического оптического разряда.
Исследование силового и энергетического воздействия на поток в окрестности крыловых профилей для управления обтеканием на до- и трансзвуковых скоростях.
Исследование эффективных схем пиролиза углеводородов в ректоре быстрого смешения.
Важнейшие результаты

Исследование активных способов управления газодинамикой при организации рабочего процесса в камерах сгорания, моделирующих условия сверх- и гиперзвукового полёта

Предложено новое направление организации рабочего процесса в камере сгорания высокоскоростных ПВРД. На участке камеры сгорания (КС) постоянного сечения после торможения в воздухозаборнике осуществляется «преддетонационный» режим горения. Режим реализуется при осуществлении импульсно-периодического газодинамического воздействия. Горение становится интенсивным, локализуется на малой длине и сохраняется при снятии воздействия после осуществления горения в КС на участке переменной геометрии. Высокая полнота сгорания обеспечивается организацией преддетонационного режима горения (воздействием на процесс теплогазодинамическими импульсами, создаваемыми специальным генератором). Потери полного давления уменьшаются вследствие сохранения сверхзвуковой скорости на входе в КС и торможения потока до скорости звука на участке КС постоянного сечения. Надёжный розжиг создаётся технологией запуска прямоточного двигателя после отделения ускорителя от летательного аппарата. При запуске не требуется торможение сверхзвукового потока в КС до дозвуковых скоростей с применением других газодинамических или физико-химических средств воздействия на процесс. Экспериментальные исследования на модельных малоразмерных КС подтвердили предложенный способ организации горения.

Реализация преддетонационного режима горения: распределение давления вдоль камеры сгорания и квазиодномерный анализ эффективности горения керосина. Параметры потока соответствуют полёту летательного аппарата с числом Маха М = 6,0.

•    Управление процессом горения и стабилизацией пламени с помощью периодического электрического поля

На основе анализа полученных экспериментальных данных установлено, что воздействие электрического поля происходит локально на фронте пламени, изменяя процессы тепломассопререноса. При этом в ламинарных гомогенных пламенах происходит изменение степени растяжения пламени, а в случае турбулентного горения коэффициента турбулентного обмена. Для эффективного управления стабилизацией пламени необходимы знания о взаимосвязи напряженности поля и степени деформации, либо пульсаций скорости. На примере обращенного пламени, находящегося в электрическом поле аксиальной симметрии, показано, что существует практически линейная зависимость изменения коэффициента турбулентного обмена от напряжения, подаваемого на кольцевой электрод (D0– коэффициент турбулентного обмена в отсутствии поля). Результаты получены с применением модели турбулентного пламени, в которой скорость распространения фронта есть функция коэффициента турбулентного обмена.

Схема эксперимента (а) и зависимость изменения коэффициента турбулентного обмена от напряжения (б). Точки – пропан, квадраты – метан.

При воздействии на диффузионный факел нестационарного электрического поля, вектор напряженности которого вращается вокруг оси топливной струи, улучшается смешение и интенсифицируется горение, длина факела сокращается на 18-20% при сохранении полноты сгорания. Поднятое турбулентное пламя с помощью такого электрического поля можно стабилизировать в плоскости электродов в широком диапазоне скоростей истечения топлива превышающем скорость срыве пламени в отсутствии поля.

Диффузионный факел (а – без электрического поля, б – с электрическим полем) и зависимость высоты подъема от критерия гомохронности (в)

  • Численное и экспериментальное моделирование процесса горения в сверхзвуковом потоке при инициировании плазмой импульсно-периодического оптического разряда

Изучено воздействие сфокусированного импульсно-периодического излучения СО2-лазера на инициирование и процесс распространения горения в до- и сверхзвуковом потоке гомогенных топливо-воздушных смесей (метановоздушной и водородовоздушной). Излучение СО2-лазера распространялось поперек потока и фокусировалось линзой на оси струи. С применением теневой и спектрозональной съемки на длинах волн радикалов ОН* и СН* изучалась структура зоны горения в потоке. Было показано, что при поперечном вводе лазерного излучения в поток образуется периодическая структура теплового следа с формированием головного скачка уплотнения от зоны энерговыделения. При малых частотах следования импульсов лазерного излучения взаимодействие теплового пятна с потоком происходит в импульсном режиме. Экспериментально осуществлено воспламенение оптическим разрядом метановоздушной и водородовоздушной смесей при сверхзвуковом истечении струи в затопленное пространство, о чем свидетельствуют результаты спектрозональной съемки. Показано, что применение малого по размеру механического стабилизатора (конус, диаметр 6 мм) и оптического стабилизатора позволяет зажечь высокоскоростную водородовоздушную струю по всей площади поперечного сечения. В проведённых экспериментах методами эмиссионной спектроскопии было исследовано распределение интенсивности излучения компонент в области оптического разряда и определены основные типы радикалов присутствующих в водородовоздушной плазме. Выявлена сильная интенсивность излучения  радикала H.

Спектрозональная регистрация радикалов ОH* для зоны горения водорода за оптическим разрядом: с механическим стабилизатором (а) и без (б).

  • Исследование силового и энергетического воздействия на поток в окрестности крыловых профилей для управления обтеканием на до- и трансзвуковых скоростях

Управление ударно-волновой структурой транс- и сверхзвукового обтекания выпуклой поверхности с помощью импульсно-периодического энергетического и силового воздействия имеет отношение к широкому кругу практических и научных задач, связанных с усовершенствованием аэрокосмической техники. Данные исследования были начаты в ИТПМ в 2003 г. для крылового профиля при безотрывном трансзвуковом обтекании на малых углах атаки и импульсно-периодическом подводе энергии. Численно установлено, что применение приповерхностного источника энергии приводит к нелинейному взаимодействию с обтекающим потоком. Впервые показано, что таким образом можно снизить волновое сопротивление профиля более, чем в два раза, и создать дополнительную подъемную силу. Эти эффекты связаны со значительными изменениями ударно-волновой структуры: сдвигом замыкающих скачков уплотнения и даже полном их разрушении. Для импульсно-периодического подвода энергии получено обобщение закона стабилизации распределения числа Маха по поверхности, установленного С. А. Христиановичем. Аналогичные результаты получены при импульсно-периодическом силовом воздействии. Вибрация участка поверхности приводит к ослаблению и сдвигу скачка вверх по потоку на нижней стороне профиля и смещению скачка сверху на заднюю кромку. Появляется добавочная подъемная сила.

  • Исследование эффективных схем пиролиза углеводородов в ректоре быстрого смешения

Предложен и исследован процесс пиролиза (термического разложения) углеводородов в высокотемпературном потоке теплоносителя. Отличительной особенностью данного метода является высокая температура процесса, не достижимая в традиционном промышленном способе пиролиза. Ключевая проблема данного метода – необходимость реализации ультракороткого времени смешения сырья с теплоносителем – была решена по результатам исследования характеристик смесителей с поперечным вводом струй, работающих в режиме формирования встречного потока в результате столкновения струй в приосевой области канала. С увеличением температуры процесса значительно (на 20 – 30%) увеличился выход этилена – базового продукта нефтехимической промышленности. В развитие разрабатываемого метода рассмотрена двухстадийная схема, в которой тепловым резервуаром для пиролиза углеводородов во 2-й секции проточного реактора служат высокотемпературные продукты термического разложения метана, поступающие из 1-й секции. Ацетилен, являющийся основным компонентом смеси на входе во вторую секцию реактора, по известной технологической схеме в дальнейшем преобразуется в этилен, дополнительно увеличивая выход этого продукта по сравнению с традиционным методом пиролиза. В целом результаты расчетно-экспериментального анализа пиролиза углеводородов в реакторе быстрого смешения показали улучшение основных характеристик процесса: увеличение выхода целевых продуктов, снижение удельных энергозатрат и количества вредных выбросов в атмосферу.

Сопоставление составов продуктов одно- и двухстадийного пиролиза СПГ в реакторе быстрого смешения

Публикации

С 2011 г. сотрудниками НИС опубликовано около 60 статей в реферируемых журналах, 17 в тематических сборниках (из них 16 индексируемых в Scopus), сделано более 150 докладов на научных мероприятиях различного уровня и получено 2 патента РФ на изобретения.

  1. Кталхерман М.Г., Емелькин В.А., Поздняков Б.А., Намятов И.Г. Способ пиролиза углеводородов. Патент на изобретение РФ 2497930,  Заявка № 2012111 938/04. Приоритет от 27.03.2012. Опубл. 10.11.2013. Бюл. № 31.
  2. Третьяков П.К., Прохоров А.Н. Сверхзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель с пульсирующим режимом запуска (СПВРД С ПРЗ) и способ его работы // Патент на изобретение РФ 2651016. Заявка № 2016113653. Приоритет 08.04.2016. Опубл. 18.04.2018. Бюл. № 11.
  3. Зудов В.Н. Взаимодействие продольного вихря с прямым скачком уплотнения // ПМТФ. 2011. Т. 52, № 5. С. 68-79.
  4. Аульченко С.М., Замураев В.П., Калинина А.П. Управление трансзвуковым потоком с помощью энергетического локального воздействия // ЖТФ. 2011. Т. 81, № 11. C. 13-22.
  5. Третьяков П.К. Организация пульсирующего режима горения в высокоскоростных ПВРД// ФГВ. 2012. Т. 48, №6, С.1-6.
  6. Denisova N., Tretyakov P., Tupikin A. Emission tomography in flame diagnostics // Combustion and Flame. 2013. Vol. 160, № 3. P. 577-588.
  7. Зудов В.Н.; Грачев Г.Н., Смирнов А.Л., Третьяков П.К., Тупикин А.В., Крайнев В.Л. Инициирование горения оптическим разрядом в сверхзвуковой метано-воздушной струе // ФГВ. 2013. Т. 49, № 2. С. 144-147.
  8. Аульченко С.М., Замураев В.П., Калинина А.П. Критериальный анализ нелинейных режимов трансзвукового обтекания крыловых профилей при энергетическом локальном воздействии // ЖТФ. 2013. Т.83, вып.4. C. 21-29.
  9. Kartaev E.V., Emelkin V.A., Ktalkherman M.G., Kuzmin V.I., Vashhenko S.P. Analysis of mixing of impinging radial jets with crossflow in the regime of counter flow jet formation. // Chemical Engineering Science. 2014. Vol. 119. P. 1–9.
  10. Козулин В.С., Крайнев В.Л, Третьяков П.К., Тупикин А.В. Особенности диффузионного факела при переходе от ламинарного к турбулентному режиму горения // ФГВ. 2014. Т. 50, №6. С.134-136.
  11. Забайкин В.А., Прохоров А.Н., Третьяков П.К. Устойчивость к разрушению образцов материалов в сверхзвуковом высокотемпературном потоке // Теплофизика и аэромеханика.  2015. Т. 22, No. 2. С. 267-270.
  12. Тупикин А.В., Третьяков П.К., Денисова Н.В., Замащиков В.В., Козулин В.С.Диффузионный факел в электрическом поле с изменяемой пространственной конфигурацией // ФГВ. 2016. Т. 52, №2. С. 49-53.
  13. Зудов В.Н., Третьяков П.К. Инициирование оптическим разрядом гомогенного горения в высокоскоростной струе топливовоздушной смеси // ФГВ. 2017. Т. 53, No. 3. С. 18-26.
  14. Kartaev E.V., Emelkin V.A., Ktalkherman M.G., Aulchenko S.M., Vashenko S.P. Upstream penetration behavior of the developed counter flow jet resulting from multiple jet impingement in the crossflow of cylindrical duct // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2018. Vol.116. P. 1163-1178.
  15. Замураев В.П., Калинина А.П. Формирование околозвуковой области при теплогазодинамическом воздействии на сверхзвуковой поток в канале // Теплофизика и аэромеханика. 2018. Т. 25, № 1. С. 155-158.
  16. Третьяков П.К., Забайкин В.А., Прохоров А.Н.   Высокоскоростной ПВРД с пульсирующим режимом запуска // XI Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики (Казань, 20–24 авг. 2015 г.): [сборник трудов]. Казань, 2015. С. 3778-3780. CD-ROM.
  17. Третьяков П.К., Крайнев В.Л., Постнов А.В., Тупикин А.В.Способ перехода работы ПВРД на режим ГПВРД // Новые технологии, материалы и оборудование российской авиакосмической отрасли (АКТО-2018) : материалы Всероссийской научно-практической конференции с междунар. участием (Казань, 8-10 августа 2018 г.). Т.1. Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2018. С. 291-295.
Технологические разработки и экспериментальная база

Подразделение имеет экспериментальную базу, в которую входят две аэродинамические установки:

1. Стенд сверхзвукового горения, который является уникальной установкой (аналогов в России нет). На нем проводятся исследования рабочего процесса в камерах сгорания ГПВРД, определяются свойства перспективных высокотемпературных композиционных материалов.

 

2. Аэродинамическая труба ТС – установка периодического действия, предназначенная для изучения процессов смешения и горения в сверхзвуковых потоках. На ней также ведутся работы по моделированию полета малоразмерных ЛА с ПВРД при числах Маха менее четырех.

Достижения и награды

2014-2019 гг.

Венедиктов В.С. 

- Стипендия правительства РФ за 16-17 учебный год. Приказ министерства образования, 2016 г.

Замураев В.П.

- Медаль в связи с 55-летим НГУ за заслуги,  2014 г.

Калинина А.П.

- Почетная грамота СО РАН «За добросовестный труд»  в связи с 50-летием,  2019 г.

Кталхерман М.Г.

- Памятный знак «За труд на благо города»» в честь 125-летия Новосибирска;

- Почетная грамота СО РАН,  2018.

Третьяков П.К. 

 - Почётный знак IIIстепени. Российская Академия космонавтики им. К.Э. Циолковского, 2014;

 - Юбилейная медаль 80 лет Новосибирской области,  2017;

 - Благодарность губернатора НСО,  2017.

Тупикин А.В.

- Памятный знак «За труд на благо города»» в честь 120-летия Новосибирска;

- Заслуженный ветеран Сибирского отделения РАН,  2018;

- стипендия ОПК Российской Федерации в интересах обеспечения обороны страны и безопасности государства,  2019 г.

Дополнительно
Кроме работ по ФНИ СО РАН в подразделении выполняются гранты РФФИ и хозяйственные договора с ЦИАМ, ЦАГИ, ИХФ РАН, МАИ и др.
 
Прикладные задачи занимали важное место в научной деятельности коллектива. Направление работ было связано с исследованиями по повышению эффективности рабочего процесса в двигательном тракте (прямоточных схем) для увеличения дальности полёта и c поиском способов управления внешним обтеканием малоразмерных объектов. Изучалось также применение внешнего горения для снижения сопротивления тел с отрывными зонами и создания управляющих моментов. Выполнен цикл экспериментальных исследований по изучению процессов горения перспективных, высококалорийных, быстрогорящих, твёрдых и пастообразных топлив, а также изучение термостойкости материалов и средств тепловой защиты. Выявлены особенности, связанные с организацией устойчивого горения. Отработан ряд схем размещения топлива в тракте, не приводящих к нарушению работы воздухозаборных устройств, и способов создания управляющих моментов воздействием на внешнее обтекание.