Лаб. 12. Волновых процессов в ультрадисперсных средах

Лаборатория № 12 была создана в 1998 г. профессором Фёдоровым Александром Владимировичем и при активном участии директора ИТПМ СО РАН, академика РАН Фомина Василия Михайловича. Родилась лаборатория из недр лаборатории № 4, то есть тематики, связанной с теорией воспламенения и детонации в газовзвесях микронных частиц металлического и органического происхождения.

В настоящее время лаборатория насчитывает 16 сотрудников, из них:

  • докторов наук — 2
  • кандидатов наук — 6
 
Бедарев Игорь Александрович
заведующий лабораторией, к.ф.-м.н.
заведующий Лабораторией волновых процессов в ультрадисперсных средах
к.ф.-м.н. Бедарев Игорь Александрович 
тел.: (383) 330-85-38
e-mail:bedarev [at] itam.nsc.ru
 
Направления научных исследований

1. Разработка физико-математических моделей механики гетерогенных, гомогенных, инертных, реагирующих сред микро и нано- структуры.

2. Математическое моделирование детальных и приведенных кинетических механизмов в реагирующих газах: метан/водород/пропан/силан/воздушные смеси/воздух/пар керосина.

3.  Физико-математическое моделирование взаимодействие потоков и структур, включая описание турбулентных сверх и дозвуковых течений с криволинейными каналами, аэродинамику городской среды, взаимодействие ударных и детонационных волн с городской инфраструктурой, вопросы устойчивости зданий и сооружений относительно волновых воздействий.

4.  Физико-математическое моделирование гетерогенной детонации в аэровзвесях микро- и наноструктуры, в том числе и при повышенных концентрациях дискретной фазы (металлические и угольные частицы), вопросы подавления.

5. Физическое и математическое моделирование тепломассопереноса в пористых и капиллярно-пористых средах применительно к вопросам акустоконвективной сушки гетерогенных материалов.

 
Важнейшие результаты

Разработаны физико-математические модели подавления детонации в реагирующих газовых смесях (водород, метан, силан с окислителем) путем добавления инертных микро- и наночастиц, в двухскоростном, двухтемпературном приближении механики гетерогенных сред, основанных на детальных кинетических моделях окисления газовой фазы. Проведена валидация используемых кинетических моделей по экспериментальным зависимостям времен задержек воспламенения смесей от температуры за фронтом отраженной ударной волны, скорости детонационной волны от массовой концентрации инертных компонент.

Исследовано влияние объемной концентрации и диаметра инертных микро- и наночастиц на скорость детонации в реагирующих газовых смесях (водород, метан, силан с окислителем). Найдены концентрационные (по объемной концентрации частиц) пределы детонации. Показано, что переход от микрочастиц к наночастицам не приводит к значительному уменьшению данных пределов.

Создана технология расчетов двумерных детонационных течений в системе реагирующая газовая смесь – инертные частицы для анализа вопросов связанных с подавлением ячеистой детонации.

Получены значения объемной концентрации, приводящие к изменению размеров детонационной ячейки, ослаблению детонационной волны и срыву детонации.

 Ослабление и срыв детонации при m2 = 0,001.

Дефицит скорости в зависимости от диаметра.

 

Дефицит скорости в зависимости от диаметра.

Выполнено моделирование режимов наклонных детонационных волн, инициированных снарядом малого диаметра.

Режимы наклонных детонационных волн.

Разработана теоретическая модель плотной газовзвеси с учетом столкновительной динамики частиц на основе молекулярно-кинетических подходов. Разработка численных алгоритмов расчета течений насыщенных газовзвесей. Анализ ударно-волновых процессов и процессов диспергирования облаков частиц в рамках столкновительной модели.

Разработана физико-математическая модель для описания ударно-волновой динамики и детонационного горения взвесей наноразмерных частиц алюминия. Выполнено численное моделирование двумерных течений ячеистой детонации в монодисперсных и полидисперсных газовзвесях микро- и наноразмерных частиц алюминия в сложных геометрических областях. Определены критические условия распространения детонационных волн.

В рамках модели несжимаемой жидкости проведено численное исследование аэродинамики здания сложной формы с учетом расположения окружающих строений. Описана пространственная структура турбулентного отрывного течения воздуха в окрестности здания и дана оценка ветровой нагрузки, приходящейся на него. Проведено сравнение результатов расчетов течения воздуха при расположении здания в комплексной застройке и при его изолированном расположении, на основе чего дана оценка влияния интерференционных эффектов в потоке на аэродинамику зданий в условиях городской застройки. Разработана численная модель для 3D расчета турбулентного течения многокомпонентной газовой смеси в условиях термической стратификации, позволяющая описать перенос примеси от низких источников в окрестности городской застройки. Для учета турбулентных эффектов в течении рассмотрены и сравнены два подхода: комбинированная LES-RANS вихреразрешающая модель отсоединенных вихрей (DES) и нестационарные осредненные по Рейнольдсу уравнения Навье – Стокса (URANS), дополненные двухпараметрическими моделями турбулентности. На основе численного моделирования турбулентных течений, сформированных при обтекании типовых конфигураций застройки, выполнено исследование взаимовлияния аэродинамических процессов в городской среде и объемно-планировочной структуры застроек. Дана оценка благоприятных и неблагоприятных зон застройки с точки зрения продуваемости и высоких концентраций примеси.

Исследованы высокоскоростные течения в каналах технических устройств с учетом массообмена и химических реакций. В 3D постановке проведено численное моделирование течения в плоском канале при числах Маха М = 3 и 4 с учетом многоструйной (две/восемь струй) инжекции различных газов (гелий, аргон, водород) при изменении угла и давления подачи струй. Проведена оценка влияния параметров струй на процесс смешения в рассматриваемом канале. Полученные расчетные данные сопоставлены с результатами экспериментов по распределению статического давления на стенках канала и волновой структуре течения. Проведено численное моделирование 3D течений в модельной камере сгорания с учетом многоструйной инжекции водорода и химических реакций. Исследовано влияние угла инжекции и давления подачи струи на процессы смешения и воспламенения водородовоздушной смеси. На основе полученных результатов выбраны параметры и схема инжекции, обеспечивающие эффективное воспламенение и горение по всему объему канала камеры сгорания. Результаты сопоставлены с экспериментальными данными, получено хорошее соответствие.

 
Публикации

1. Bedarev I.A., Fedorov A.V., Shul’gin A.V. Computation of traveling waves in a heterogeneous medium with two pressures and a gas equation of state depending on phase concentrations // Computational Mathematics and Mathematical Physics. 2018. Vol. 58, No. 5. P. 775-789. 

2. Bedarev I.A., Fedorov A.V. Modeling the dynamics of several particles behind a propagating shock wave // Technical Physics Letters. 2017. Vol. 43, No. 1. P. 1–4.

3. Bedarev I.A., Rylova K.V., Fedorov A.V. Application of detailed and reduced kinetic schemes for the description of detonation of diluted hydrogen-air mixtures // Combustion, Explosion and Shock Waves. 2015. Vol. 51, No. 5. P. 528-539.

4. Tropin D.A., Fedorov A.V.  Physical and mathematical modeling of interaction of detonation waves in mixtures of hydrogen, methane, silane, and oxidizer with clouds of inert micro- and nanoparticles // Combustion Science and Technology. 2019. Vol. 191, Iss. 2. 9 p.  DOI: 10.1080/00102202.2018.1459584. 

5. Fedorov A.V., Tropin D.A., Fomin P.A. Mathematical modeling of the detonation wave structure in the silane-air mixture // Combustion Science and Technology. 2018. Vol.190, Iss. 6. P. 1041-1059. 

6. Tropin D.A., Fedorov A.V.   Physical and mathematical modeling of ignition, combustion and detonation of silane-hydrogen-air mixtures // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2017. Vol. 49, Pt B. P. 762-768. 

7. Tropin D.A., Fedorov A.V.   Physicomathematical modeling of inition of a heterogeneous mixture of methane, hydrogen, and coal microparticles // Combustion, Explosion and Shock Waves. 2018. Vol. 54, No. 6. P. 664-672. 

8. Tropin D.A., Fedorov A.V. Attenuation and suppression of detonation waves in reacting gas mixtures by clouds of inert micro- and nanoparticles // Combustion, Explosion and Shock Waves. 2018. Vol. 54, No. 2. P. 200-206. 

9. Zhilin A.A., Fedorov A.V., Grebenshchikov D.M. Dynamics of acousto-convective drying of sunflower cake compared with drying by a traditional thermo-convective method. // Foods and Raw Materials. 2018. Vol. 6, No. 2. P. 370-378. 

10.  Khmel T.A., Fedorov A.V. Modeling of plane detonation waves in a gas suspension of aluminum nanoparticles. // Combustion, Explosion and Shock Waves. 2018. Vol. 54, No. 2. P. 189-199. 

11.  Fedorov A.V., Khmel T.A., Lavruk S.A. Exit of a heterogeneous detonation wave into a channel with linear expansion. II. Critical propagation condition. // Combustion, Explosion and Shock Waves. 2018. Vol. 54, No. 1. P. 72-81. 

12. Fedorov A.V., Khmel T.A., Lavruk S.A.  Exit of a heterogeneous detonation wave into a channel with linear expansion. II. Critical propagation condition // Combustion, Explosion and Shock Waves. 2018. Vol. 54, No. 1. P. 72-81. DOI: 10.1134/S0010508218010112

13.  Khmel T.A., Fedorov A.V.  Modeling of plane detonation waves in a gas suspension of aluminum nanoparticles // Combustion, Explosion and Shock Waves. 2018. Vol. 54, No. 2. P. 189-199. DOI: 10.1134/S0010508218020089

14.  Valger S.A., Fedorova N.N., Fedorov A.V.  Numerical study of interference effects in atmospheric air flow past a group of intricately shaped buildings. // Thermophysics and Aeromechanics. 2017. Vol. 24, No. 1. P. 35-44.  

15. Valger S.A., Fedorova N.N., Fedorov A.V.  Mathematical modeling of propagation of explosion waves and their effect on various objects. // Combustion, Explosion, and Shock Waves. 2017. Vol. 53, No. 4. P. 433-443.  

 
Технологические разработки и экспериментальная база

Акустоконвективная сушка пористых материалов

Акустоконвективный способ может применяться для сушки пористых материалов в сельском хозяйстве и животноводстве (зерно, мясо, хлопок, овощи, фрукты и др.), строительной индустрии (древесина, ячеистый газобетон и др.), фармацевтической отрасли (лекарственные препараты, травы и др.), химическом производстве (силикагель, бумага и др.), переработке биологических отходов (подсолнечника и др.) и иных отраслях промышленности.

Механизм миграции влаги в капиллярно-пористых материалах при акустоконвективной сушке заключается в перераспределении влаги внутри образца под действием звука и унос вышедшей на поверхность образца влаги конвективным потоком. Источником осушающего потока с соответствующими амплитудно-частотными характеристиками является газоструйный излучатель гартмановского типа. 

Построена действующая лабораторная акустоконвективная сушильная установка.

  

Технико-экономические преимущества:

– сушка протекает при комнатной температуре;

– простота конструкции сушилок;

– для увеличения производительности сушилки могут легко масштабироваться;

– более высокая скорость сушки;

– высушенный биологический материал сохраняет полезные качества;

– средние затраты энергии на единицу продукции меньше в два раза;

– сушилки пожаробезопасны.

 
Достижения и награды

Федоров Александр Владимирович

Международная Премия им. академика В.А. Коптюга Президиум СО РАН - Президиум НАН Белоруссии 2009 – за цикл совместных работ "Физико-математическое описание воспламенения и горения в гомогенных, гетерогенных и пористых средах: теория, эксперимент, диагностика" сотрудников ИТПМ СО РАН и ИТМО НАН Белоруссии.

 

Федорова Наталья Николаевна

Грамота Министерства образования и науки РФ 2010 – за многолетнюю плодотворную работу по развитию и совершенствованию учебного процесса, значительный вклад в дело подготовки высококвалифицированных специалистов.