Внимание к горению. Для приручения воспламеняющихся газовых смесей нужен тонкий расчет - Поиск - новости науки и техники
Поиск - новости науки и техники

Внимание к горению. Для приручения воспламеняющихся газовых смесей нужен тонкий расчет

01.02.20

Любая незначительная утечка газа, даже при хорошей вентиляции, может привести к пожароопасной и порой взрывоопасной ситуации. Многое здесь зависит от того, какие газы, в какой пропорции и концентрации вырвались наружу. Как выяснилось, этой проблемой занимаются исследовательские группы. Например, старший научный сотрудник лаборатории вычислительной физики, кандидат физико-математических наук Иван ЯКОВЕНКО вместе с коллегами в Объединенном институте высоких температур РАН разрабатывает новые подходы к изучению и моделированию горения обедненных составов газообразных смесей на основе водорода. Что же он изучает и как проводит свои исследования? «Поиск» решил выяснить это, обратившись к молодому ученому, получившему на свои исследования грант Президента РФ.

– Иван, для начала хотелось бы выяснить, какие газовые смеси на основе водорода считаются обедненными?

– Это горючие газовые смеси, мы их также называем бедными, в составе которых в небольшом количестве содержится топливо и в избытке – окислитель. В качестве топлива может выступать любой горючий газ или даже смесь газов, которые вступают в химическую реакцию с окислителем, – чистым кислородом или кислородом в составе воздуха. При этом в бедной смеси топливо в результате химических превращений расходуется полностью, а окислитель – лишь частично. Получается, «обеднить» можно любую смесь. Для этого достаточно изменить соотношение между топливом и окислителем в пользу последнего.
Наша группа занимается смесями на основе водорода. Этот газ не только перспективное альтернативное топливо, сгорающее без выделения углеводородных выбросов, но и одно из самых пожаро- и взрывоопасных веществ.

– Почему вы решили заняться такой темой?

– Добавление даже минимального количества водорода в воздух может привести к формированию легко воспламеняемой смеси. Горючая смесь может образоваться в результате незапланированного выброса водорода в атмосферу при разгерметизации топливных баков или неконтролируемого химического синтеза. То же самое происходит, когда водород постепенно накапливается в помещении и перемешивается с большим объемом воздуха. Воспламенение бедных смесей представляют серьезную угрозу пожаро- и взрывобезопасности промышленных объектов, например, на атомных электростанциях, где водород может накапливаться в результате нештатной работы реакторной зоны. Или в новейших двигателях и источниках энергии, использующих этот горючий газ в качестве рабочего тела, а также в системах его транспортировки и хранения.
Кроме того, сегодня все острее ставится вопрос о снижении вредных выбросов в атмосферу при сжигании различных видов топлива. Новые поколения двигателей должны соответствовать все более жестким нормативным требованиям. Один из способов уменьшить воздействие на окружающую среду – сжигание топливных смесей бедного состава. Для этого нужно точно определить пределы их устойчивого горения, то есть предельные значения «разбавления» топлива окислителем в зависимости от условий сжигания. Необходимо также выявить механизмы и критерии устойчивого горения смесей обедненного состава, исследовать динамику этого процесса.

Однако тему эту изучают пока недостаточно. Мы решили внести свой вклад в решение этой проблемы и стали разрабатывать подходы к детальному компьютерному моделированию этих процессов.

– То есть ваши исследования чисто теоретические?

– Да, наша работа носит в основном теоретический характер. Детальное моделирование крупномасштабных процессов горения – это сложнейшая задача. Для ее решения требуются значительные вычислительные ресурсы, взвешенный анализ важнейших факторов и процессов, от которых зависит развитие горения смесей. Поэтому основной акцент мы делаем на выборе оптимальных физических моделей и математических алгоритмов, с помощью которых проводим наиболее эффективное и точное моделирование.
При моделировании нам необходимо учитывать большое число факторов и сопутствующих горению процессов, таких как диффузия различных компонентов смеси, влияние гравитации, перенос излучения. Горение таких смесей происходит достаточно медленно, а самые интересные и важные особенности этого процесса проявляются на больших пространственных масштабах – объемах, сравнимых с размерами помещений, в которых может происходить выброс, а затем и горение. Все это диктует жесткие требования к вычислительным мощностям.
Для исследований мы используем ресурсы Суперкомпьютерного комплекса МГУ и Межведомственного суперкомпьютерного центра РАН. Благодаря компьютерному моделированию мы можем предсказать динамику реагирующей системы, проанализировать структуру газодинамических течений и выявить основные механизмы, определяющие развитие или затухание процесса горения.

Однако всегда необходимо сопоставлять теоретические результаты, полученные в вычислительном и реальном экспериментах. С одной стороны, такое сравнение позволяет провести всестороннее тестирование вычислительных кодов и физико-математических моделей, заложенных в расчет. С другой, – нередко открывает возможность для более точной и физически обоснованной интерпретации результатов натурного эксперимента.

– Где могут быть востребованы результаты ваших исследований?

– Процессы горения остаются основным источником энергии в мире. Тем не менее энергетические и двигательные системы необходимо постоянно совершенствовать, в том числе для снижения загрязнения окружающей среды. Как я уже говорил, подходы, основанные на использовании обедненных топливных составов или альтернативных источников энергии, таких как водород, – это перспективные технологии на пути к достижению «зеленой» энергетики будущего.
Но для разработки реальных технических решений необходимы детальные исследования. Мы анализируем физико-математические модели, выбираем оптимальные вычислительные алгоритмы и реализуем их в виде эффективных компьютерных программ. Результаты, которые мы получаем, открывают широкие возможности для дальнейших исследований и разработок в области обеспечения эффективного горения обедненных составов и пожаро- и взрывобезопасности. В особенности это актуально для технических устройств, работающих на таком перспективном топливе, как водород.

– Чем планируете заниматься после завершения проекта?

– Мы стремимся построить теоретическую базу, в частности, предложить и протестировать наиболее точные и эффективные теоретические модели и вычислительные алгоритмы, помогающие анализировать горение обедненных смесей. В дальнейшем эти наработки позволят решить широкий круг задач физики горения и взрыва. На следующих этапах проекта и после его завершения мы собираемся провести экспериментально-теоретические исследования горения обедненных составов вместе с научными группами, которые занимаются натурными экспериментами. Объединенный институт высоких температур РАН имеет всю необходимую экспериментальную базу для такого рода исследований, в том числе уникальный стенд «Сфера», предназначенный для изучения крупномасштабных процессов горения.

Василий Янчилин

Нет комментариев

Загрузка...
Новости СМИ2