519.63 Математическое моделирование распространения пульсирующей волны газовой детонации в водородно-воздушной смеси с использованием детальной кинетики химических реакций

Лопато А. И. (Институт автоматизации проектирования РАН)

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ, ПРЯМОЕ ИНИЦИИРОВАНИЕ ДЕТОНАЦИИ, МОДЕЛЬ PETERSEN-HANSON, ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ РЕЖИМ ПУЛЬСАЦИЙ


doi: 10.18698/2309-3684-2024-3-6580


Работа посвящена численному исследованию распространения пульсирующей волны газовой детонации. Математическая модель основана на системе уравнений Эйлера, записанной для многокомпонентного газа и дополненной моделью детальной кинетики химических реакций Petersen-Hanson. Данная модель кинетики является эффективной и работоспособной при описании процессов в водородно-воздушной и водородно-кислородной смеси. Вычислительный алгоритм основан на применении метода конечных объемов, ENO-реконструкции величин газодинамических параметров в расчетных ячейках, расчете потоков через грани ячеек с использованием метода AUSM, а также методов Рунге-Кутты для интегрирования по времени. Рассматривается случай прямого инициирования детонации у закрытого конца канала, заполненного стехиометрической водородно-воздушной смесью. Проведено математическое моделирование распространения пульсирующей детонационной волны. Исследуются механизмы, отвечающие за формирование высокочастотных и высокоамплитудных режимов пульсаций параметров лидирующей волны.


[1] Kailasanath K. Review of propulsion applications of detonation waves. American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2000, 38(9), pp. 1698–1708.
[2] Димитриенко Ю.И., Коряков М.Н., Юрин Ю.В., Захаров А.А., Сборщиков С.В., Богданов И.О. Сопряженное моделирование высокоскоростной аэротермодинамики и внутреннего тепломассопереноса в композитных аэрокосмических конструкциях. Математическое моделирование и численные методы, 2021, № 3, с. 42–61.
[3] Sharpe G.J., Falle S.A. Numerical simulations of pulsating detonations: I. Nonlinear stability of steady detonations. Combustion Theory and Modelling, 2000, 4, pp. 557–574.
[4] Lopato A.I., Utkin P.S. Toward Second-Order Algorithm for the Pulsating Detonation Wave Modeling in the Shock-Attached Frame. Combustion Science and Technology, 2016, 188, pp. 1844–1856.
[5] Lee H.I., Stewart D.S. Calculation of linear detonation instability: one-dimensional instability of plane detonation. Journal of Fluid Mechanics, 1990, 216, pp. 103–132.
[6] Lopato A.I., Utkin P.S. Mathematical modeling of pulsating detonation wave propagation using monotone numerical methods of different approximation orders. In: Transient Combustion and Detonation Phenomena: Fundamentals and Applications. Moscow: Torus Press, 2014, pp. 261–268.
[7] Xiao H., Oran E.S. Shock focusing and detonation initiation at a flame front. Combustion and Flame, 2009, vol. 203, pp. 397–406.
[8] Gamezo V., Ogawa T., Oran E. Flame acceleration and DDT in channels with obstacles: Effect of obstacle spacing. Combustion and Flame, 2008, vol. 155, pp. 302–315.
[9] Liberman M., Wang C., Qian C., Liu J. Influence of chemical kinetics on spontaneous waves and detonation initiation in highly reactive and low reactive mixtures. Combustion Theory and Modeling, 2019, vol. 23, iss. 3, pp. 467–495.
[10] Cole L.K., Karagozian A.R., Cambier J.-L. Stability of flame-shock coupling in detonation waves: 1D dynamics. Combustion Science and Technology, 2012, vol. 184, pp. 1502–1525.
[11] McVey J.B., Toong T.Y. Mechanism of instabilities of exothermic hypersonic blunt-body flows. Combustion Science and Technology, 1971, vol. 3, pp. 63–76.
[12] Visit. https://burcat.technion.ac.il/. Last accessed 10 February 2024. Last accessed 10 February 2024.
[13] Petersen E.L., Hanson R.K. Reduced kinetics mechanisms for RAM accelerator combustion. Journal of Propulsion and Power, 1999, vol. 15, iss. 4, pp. 591–600.
[14] Togashi F., Lohner R., Tsuboi N. Numerical simulation of H2/air detonation using unstructured mesh. Shock Waves, 2009, vol. 19, pp. 151–162.
[15] Toro E.F. Riemann Solvers and Numerical Methods for Fluid Dynamics: a Practical Introduction. 3rd edition. Springer, Berlin, 2009, 724 p.
[16] Liou M.-S., Steffen C.J.Jr. A new flux splitting scheme. Journal of Computational Physics, 1993, vol. 107, pp. 23–39.
[17] Shu C.-W. Essentially non-oscillatory and weighted essentially non-oscillatory schemes for hyperbolic conservation laws. NASA/CR-97-206253, ICASE Report No. 97-65, 1997, 78 p.
[18] Lopato A.I., Eremenko A.G., Utkin P.S., Gavrilov D.A. Numerical simulation of detonation initiation: the quest of grid resolution. Advances in Theory and Practice of Computational Mechanics. Smart Innovation, Systems and Technologies, 2020, 173, pp. 79 – 89.
[19] Lopato A.I., Utkin P.S. The usage of grid-characteristic method for the simulation of flows with detonation waves. Smart modeling foe engineering systems (GCM50), 2018, vol. 133, pp. 281–290.
[20] Shu C.W, Osher S. Efficient implementation of essentially non-oscillatory shock-capturing schemes. Journal of Computational Physics, 1988, vol. 77, pp. 439–471.
[21] Lopato A.I., Utkin P.S. Numerical study of detonation wave propagation in the variable cross-section channel using unstructured computational grids. Journal of Combustion, 2018, act. 3635797.
[22] Lopato A.I., Favorskaya M.N., Favorskaya A.V., Petrov I.B., Lakhmi C.J. Numerical simulation of shock-to-detonation transitions using one-stage and detailed chemical kinetics mechanism. Smart Modeling for Engineering Systems, 2021, pp. 79–88.
[23] Лопато А.И. Математическое моделирование инициирования детонации в канале с профилированным торцом с использованием параллельных вы-числений. Математическое моделирование и численные методы, 2023, № 4, c. 15–26.


Лопато А.И. Математическое моделирование распространения пульсирующей волны газовой детонации в водородно-воздушной смеси с использованием детальной кинетики химических реакций. Математическое моделирование и численные методы, 2024, № 3, с. 65–80.


Работа выполнена в рамках госзадания ИАП РАН.


Скачать статью

Количество скачиваний: 46