Гидродинамика горения

Как известно, принципиальной трудностью для практического приложения представлений данной области науки является турбулентное состояние газовой среды, характерное для рабочих процессов в большинстве энергетических и силовых установок, использующих химическое топливо; в процессах, связанных с пожарами и взрывами, роль турбулентности также велика. Поэтому в течение длительного времени соответствующие исследования и разработки носили преимущественно эмпирический характер, с опорой, в основном, на качественные физические представления; экспериментальные возможности выявления детальной картины явлений были очень ограничены, равно как и возможности их теоретического описания. Значительное продвижение на этом пути, однако, состоялось, когда были решены основные проблемы организации горения в газотурбинных двигателях, в форсажных камерах и прямоточных двигателях, значительно усовершенствованы процессы горения в топках, в поршневых двигателях внутреннего сгорания и т.п. Однако современные практические задачи оказались настолько сложными, что этот традиционный путь становится либо слишком дорогостоящим, либо просто недоступным.

Так, в области воздушно-реактивной техники работы по созданию сверхзвуковых камер сгорания столкнулись, помимо трудностей экспериментальной имитации условий гиперзвукового полета, с трудностями принципиального характера, обусловленными физическими особенностями процесса. Совершенно новая ситуация сложилась также из-за необходимости одновременного достижения низкого уровня вредных эмиссий, высокой экономичности и надежности силовых установок на транспорте и в энергетике. Газовые турбины входят (через очень экономичные парогазовые циклы) в большую электроэнергетику. Это потребовало коренной реорганизации процесса сгорания топлива для \удовлетворения жестким экологическим требованиям, прежде всего по содержанию окислов азота. В авиационных газотурбинных двигателях рабочий процесс с низким уровнем эмиссии трудно совместить с устойчивостью горения. Важнейшее направление – разработка экономичных и малотоксичных поршневых двигателей внутреннего сгорания, которые, выдержав конкуренцию с другими типами силовых установок, надолго остаются основой транспортной энергетики. Масштаб проблемы иллюстрирует тот пример, что ДВС с искровым зажиганием (бензиновые) потребляют треть мирового производства нефти (т.е. примерно один миллиард тонн в год) и в то же время физический потенциал цикла Отто недоиспользован примерно на 20% по экономичности и на порядок величины по токсичности выхлопных газов (без внешних устройств) из-за особенностей принятой сейчас организации сгорания. Такие особенности как цикловая нестабильность и детонационные явления, не являются, однако, неизбежными. Принципиальных физических ограничений для осуществления управляемого оптимального процесса горения (обедненная гомогенная смесь и повышенная степень сжатия) не существует. Здесь уместно отметить, что экологические соображения вообще повышают привлекательность гомогенных режимов горения. В газовых турбинах к этому подталкивает проблема эмиссии окислов азота и канцерогенных углеводородов. В поршневых двигателях с воспламенением от сжатия (дизельных) также намечается тенденция к большей роли гомогенных стадий сгорания, т.к. гетерогенное горение углеводородных топлив приводит к такому составу продуктов, который вызывает все большее беспокойство: новейшие методы анализа обнаруживают вредные компоненты, о существовании которых ранее даже не подозревали.

Налицо настоятельная необходимость перехода в исследованиях и конструкторских разработках с эмпирического на детальный физический уровень. Сегодня научная основа для такого перехода сформировалась в ходе быстрого развития вычислительной гидродинамики и поистине революционного прорыва в экспериментальной технике: лазерные спектроскопические методы зондирования, в принципе, позволяют, не внося возмущений, получать информацию почти обо всех параметрах рабочей среды (включая концентрацию свободных радикалов и других активных частиц) в различных пространственно-временных вариантах (вплоть до слежения за эволюцией нестационарных трехмерных структур). Существенно также, что еще раньше удалось разрешить узловые проблемы теории и механизма турбулентного горения. В совокупности это создает возможность использовать большой арсенал процессов физической газодинамики и химической физики для управления аэротермохимическими процессами в камерах сгорания двигателей, во внешнем горении, в энергетике и некоторых промышленных технологиях, а также для решения проблем пожаровзрывобезопасности.

Здесь важно именно соединение трех направлений: вычислительного, диагностического и теоретического, т.к. турбулентность остается пока нерешенной проблемой физики; до прямого численного моделирования даже течений без реакций еще далеко (несмотря на растущую мощь параллельных вычислений), а пространственное разрешение оптических методов не всегда достаточно для воссоздания детальной картины явлений на рабочих режимах. В турбулентной среде происходит очень сложное взаимодействие гидродинамических и химических процессов, в частности, на уровне тонкой структуры турбулентности; очень велик диапазон масштабов длины и времени в турбулентном спектре как для “гидродинамических”, так и для “химических” полей. Поэтому использование возможностей численного моделирования и лазерной диагностики должно опираться на обоснованные физические представления, т.е. на физическую теорию в традиционном смысле. Это нужно как для построения вычислительных подходов, так и для оптимальной постановки эксперимента. В противном случае даже сама интерпретация численной и экспериментальной информации может оказаться затруднительной, особенно если эта информация имеет труднообозримые объемы.

Несмотря на то, что внутренняя структура полей скорости при развитой турбулентности является в какой-то мере даже загадочной, при разработке физических основ процессов горения в турбулентной среде на некоторые свойства сплошной среды оказалось возможным опереться: речь идет прежде всего о динамике материальных (“меченых”) поверхностей и о поле скоростей гидродинамических деформаций. Это, в частности, позволило, еще до того как прямое численное моделирование стало завоевывать свои позиции, решить вопрос о возможных режимах турбулентного горения однородных газов (в том числе выяснить роль, которую играют “поверхностное” и “объемное” химическое превращение) и о механизме турбулентного распространения пламени. Причем дело не только в естественной тенденции гомогенной горючей среды порождать квазиповерхности – волны горения – но и в том, как постепенно выясняется, что изоскалярные поверхности турбулентной среды менее подвержены хаотизации, чем, скажем, связанное с полем скорости поле завихренности. Поэтому различные разделительные (контактные) поверхности, на которых происходит молекулярная диффузия при горении неперемешанных или частично перемешанных систем, также достаточно живучи и их можно закладывать в физические модели диффузионного турбулентного горения. Идеализированные модели ламинарных реакционных зон – фундаментальная составляющая гидродинамики горения. Возрастающая мощь вычислительных методов изменила облик этого направления: стало возможным включать в модели подробные механизмы химических реакций, реальные процессы молекулярного переноса и реальные теплофизические свойства, рассматривать самые различные геометрические и гидродинамические конфигурации (от одномерных стационарных структур до трехмерных нестационарных, двойные и тройные фронты пламени, взаимодействие пламен с вихрями, со стенками и т.п.). Объединяет их одно – регулярность (без хаотизации), заданность начальными и граничными условиями. Такое детальное численное моделирование, а также соответствующие хорошо контролируемые эксперименты превалируют сегодня по числу работ в данной области.

Следующее направление – прямое численное моделирование свободного развития процесса, в том числе с имитацией турбулентных граничных или начальных условий. Этот подход ограничен вычислительной мощностью (числа Рейнольдса и размеры области интегрирования пока невелики), но уже позволяет уточнять и оттачивать физические модели и продвигаться в понимании деталей процессов в турбулентной реагирующей среде.

Наконец, третье направление – численное моделирование крупномасштабных явлений с целью описания интегральных характеристик процесса. Вычисления идут на уровне крупных вихрей с использованием внутрисеточного моделирования, от которого во многом зависят область применимости метода и достоверность получаемых результатов. Локальные явления, структура реакционных зон при этом, естественно, не разрешаются. Проблема внутрисеточного моделирования, стыковки его с двумя первыми выделенными направлениями – одна из приоритетных на современном этапе и вряд ли будет быстро решена.

В нашей стране из трех обязательных составляющих современного подхода (теория, численные методы и лазерная диагностика) третий элемент представлен совершенно незначительно и это положение требует скорейшего исправления; тем более, что с научным и кадровым потенциалом в области лазерной техники и лазерной спектроскопии у нас, как известно, проблем нет. В теории горения газов мы традиционно были на передовых, даже пионерских позициях, но количество работ сейчас сократилось до минимума. Несколько лучше положение с численными методами. В целом же объем исследований в этой очень важной области неадекватен стоящим задачам. Опора на зарубежные результаты, как известно, не всегда достаточна или возможна, но всегда означает задержку по времени. Кроме того, практические проблемы и оптимальные пути их решения могут у нас ставиться и выстраиваться по своему.