Упрощенные кинетические модели горения метана для расширения возможностей пакета OpenFOAM и физико-химических библиотек

Рассмотрены сокращенные механизмы горения углеводородных топлив, на их основе проведено расширение возможностей пакета OpenFOAM и физико-химических библиотек, применимых для численного моделирования процессов, протекающих в метано-воздушных смесях. На примере метана рассматривается модифицированный механизм горения углеводородного топлива. Выбор данного вещества обусловлен перспективностью и практическим интересом к данному виду топлива в настоящее время. Осуществляется сравнение результатов, полученных в результате применения решателей, созданных в МАИ и ИСП РАН. Приведены физико-математическая модель, численные алгоритмы и результаты расчетов нестационарных физико-химических процессов, протекающих в метано-воздушных смесях. Проводится сравнение процессов эволюции значений температуры и концентраций химических компонент при постоянном давлении и энтальпии, оцениваются время задержки воспламенения и уровень значений величин при достижении состояния термодинамического равновесия. Рассмотрен процесс течения метано-воздушной смеси в трубе с отражением набегающей на стенку ударной волны. Численно решаются нестационарные уравнения газовой динамики, дополненные уравнениями химической кинетики. Эффекты вязкости, теплопроводности и диффузии не учитываются. Получены и проанализированы распределения параметров течения за отраженной ударной волной. Проиллюстрировано распространение детонационной волны в колебательном режиме. Показана согласованность результатов расчетов используемых решателей. Даны оценки дальнейшего возможного применения данного сокращенного механизма горения.

1. Peters N. Turbulent Combustion. Cambridge University Press, 2000, 324 p.

2. Poinsot T., Veynante D. Theoretical and Numerical Combustion. 2nd edition. Edwards, 2005, 540 p.

3. Warnatz J., Maas U., W. Dibble R.W. Combustion: Physical and Chemical Fundamentals, Modeling and Simulation, Experiments, Pollutant Formation. 4th Edition. Springer, 2006, 390 p.

4. Басевич В.Я., Фролов С.М. Глобальные кинетические механизмы, использующиеся при моделировании многостадийного самовоспламенения углеводородов в реагирующих течениях. Химическая физика, том 25, no. 6, 2006. стр. 54-62 / Basevich V.Ya., Frolov S.M. Global kinetic mechanisms used in modeling multistage autoignition of hydrocarbons in reacting flows, Chemical Physics, vol. 25, no. 6, 2006. pp. 54-62 (in Russian).

5. Гурвич Л.В., Вейц И.В. и др. Термодинамические свойства индивидуальных веществ. Справочное издание в 4-х томах. М., Наука, 1979-1982 гг. / Gurvich L.V., Veyts I.V. et al. Thermodynamic properties of individual substances. Reference edition in 4 volumes. M., Nauka, 1979-1982 (in Russian).

6. Гидаспов В.Ю., Кононов Д.С., Северина Н.С. Моделирование воспламенения и детонации метано-воздушных смесей за отраженной ударной волной. Теплофизика высоких температур, том 58, no. 6, 2020 г., стр. 909-914 / Gidaspov V.Y., Kononov D.S., Severina N.S. Simulation of the ignition and detonation of methane-air mixtures behind a reflected shock wave. High Temperature, vol. 58, no. 6, 2020, pp. 846-851.

7. Weller H.G., Tabor G. et al. A tensorial approach to computational continuum mechanics using object-oriented techniques. Computers in Physics, vol. 12, 1998, pp. 620–631.

8. Холодов А.С. Сеточно-характеристические численные методы для многомерных задач механики сплошных сред. Вопросы кибернетики, вып. 15, 1987 г., стр. 140-163 / Kholodov A.S. Grid-characteristic numerical methods for multidimensional problems of continuum mechanics. Cybernetics Issues, issue 15, 1987, pp. 140-163 (in Russian).

9. Годунов С.К., Забродин А.В. и др. Численные решения многомерных задач газовой динамики. М., Наука, 1976 г., 400 стр. / Godunov S.K., Zabrodin A.V. et al. Numerical solution of multidimensional problems of gas dynamics. M., Nauka, 1976, 400 p. (in Russian).

10. Пирумов У.Г. Математическое моделирование в проблемах охраны воздушного бассейна. М., Изд-во МАИ, 2001 г., 340 стр. / Pirumov U.G. Mathematical modeling in the problems of air protection. Moscow, MAI Publishing House, 2001, 340 p. (in Russian).

11. Kraposhin M. Bovtrikova A., Strijhak S. Adaptation of Kurganov-Tadmor Numerical Scheme for Applying in Combination with the PISO Method in Numerical Simulation of Flows in a Wide Range of Mach Numbers. Procedia Computer Science. vol. 66, 2015, pp. 43-52.

12. Васильев А.А. Ячеистые структуры многофронтовой детонационной волны и инициирование (Обзор). Физика горения и взрыва, том 51, вып. 1, 2015 г., стр. 9-30 / Vasil’ev A.A. Cellular structures of a multifront detonation wave and initiation (Review). Combustion, Explosion, and Shock Waves, vol. 51, issue 1, 2015, pp. 1-20.