Математическое моделирование процессов горения и взрыва




Скачать 74.63 Kb.
НазваниеМатематическое моделирование процессов горения и взрыва
Дата конвертации18.05.2013
Размер74.63 Kb.
ТипДокументы
Математическое моделирование процессов горения и взрыва


Преамбула.

Процессы горения и детонации имеют общую теоретическую базу: химическую физику, механику многокомпонентных химическиактивных сред, математическое моделирование. Горение и детонация связаны между собой возможностью взаимных переходов.

И в горении, и в детонации изучается много аналогичных явлений, присущих нелинейным фронтальным режимам экзотермического химического превращения: инициирование, существование, множественность фронтальных режимов для одного и того же состава, проблема устойчивости фронтальных режимов, критические явления срыва, зависимость скорости распространения от состава, начальных условий, условий инициирования и воздействия внешней среды.

Перед горением и детонацией стоят достаточно общие проблемы: энергетическое воздействие на среду, получение новых материалов с уникальными характеристиками, создание оборудования с использованием их эффектов, применение в оборонной технике и решение проблем безопасности.

Горение и детонация исследуются в рамках математических моделей, которые, несмотря на их многообразие, описываются “жесткими” системами нелинейных дифференциальных уравнений, которым присуща шкала существенно различных временных и пространственных размеров. Для анализа моделей используются общие методические подходы - асимптотические методы, адаптирующиеся численные методы, автомодельность и т. п.

В тоже время горение и детонация обладают присущей им индивидуальностью. По сравнению с горением для детонации характерны существенно более быстропротекающие химические и газодинамические процессы и более экстремальные динамические условия, более высокие скорости распространения фронта.

Математическое моделирование - современный инструмент исследования процессов горения и взрыва. Благодаря адекватных процессу моделям, в последние годы реализуется переход от оценок, описаний и рассуждений к строгому математическому описанию закономерностей динамики горения и взрыва. Повышаются требования к исходной информации о характеристиках среды и улучшается прогнозируемость исследуемых явлений.


Математическое моделирование физики и химии процессов горения и взрыва

При современном уровне развития вычислительной техники и приближенных методов представляется возможным анализ математических моделей, соответствующих нашим знаниям процесса экзотермического превращения. Достоверность и адекватность расчетов определяется полнотой учета информации о свойствах участвующих во взаимодействии веществ, уравнений состояния, кинетики (макрокинетики) превращения, условий тепло- и массообмена, движения фазовых границ и изменения геометрии области взаимодействия. Такой учет порождает повышенные требования к теплофизической, термодинамической и кинетической информации, с другой стороны катастрофически растет “громоздкость” математической модели, времени ее анализа и необходимых вычислительных ресурсов. За исследователем всегда остается ответственность “разумного баланса” поставленной цели исследования, имеющейся в научной литературе информации, стоимости ресурсов и идейной прозрачности математической модели, позволяющей на необходимом уровне достоверности установить причинно-следственные связи в динамике процессов.

Естественно, что уровень “разумного баланса” смещается со временем к исследованию все более сложных, необходимых современным технологиям процессов, опираясь на ранние, относительно простые, “классические” решения. В относительно простых гомогенных газовых средах фронт исследования сосредоточен на анализе процесса горения с учетом деталей кинетики химического взаимодействия; на адекватном учете газодинамики движения (зависимости движения от геометрии области взаимодействия, турбулентности, воздействия внешних полей и внешней среды, ударных волн, эффектов многомерности и т.п.); на условиях формирования конденсированных продуктов химического взаимодействия (сажи, кластеров, фулеренов и др.); на анализе возникающих экологических проблем, на вопросах пожаро и взрывобезопасности. Здесь моделирование позволяет адекватно изучать динамику многомерной неустойчивости детонационного фронта и его распространение в условиях сложной геометрии.

На этом фоне “отстали” исследования процессов горения и детонации в многокомпонентных конденсированных средах. Здесь существенное продвижение исследований методами математического моделирования наблюдается пропорционально “сложности среды”. Вперед ушли исследования горения “безгазовых составов”, как исследования структуры стационарного фронта, так и анализа его устойчивости, появления новых периодических динамических режимов (пульсирующих и спиновых режимов горения). Это продвинуло понимание динамики экстремальных процессов самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, СВС. Однако, несмотря на оптимистические пионерские исследования в области “безгазовой детонации” в настоящее время стоит проблема ее экспериментального наблюдения и создания адекватной процессу математической модели.

Для оборонных целей оказались важными исследования математических моделей летучих конденсированных составов, которые способствовали пониманию горения порохов и ракетных топлив. Здесь стали классическими как исследования стационарных структур фронта, так и вопросов их устойчивости. Современные исследования регламентируются практической потребностью в их результатах.

Углубленные исследования математических моделей, характеризующих взаимодействие конденсированной и газовой фазы, интенсивно ведется в рамках моделей фильтрационного горения конденсированных составов, фильтрационного горения газов, горения малогазовых составов, моделей конвективного горения пористых составов и горения газовзвесей. Эти исследования стимулируются широким кругом практического приложения. Здесь возникает необходимость адекватного и в тоже время простого описания процессов тепло- и массообмена, исследования фазовых переходов, кинетики (макрокинетики) химического взаимодействия, учета различия температур отдельных фаз, скорости их перемещения, деформации (изменения пористости) в конденсированной фазе, влияние внешних полей (гравитационного, электромагнитного) на состояние и взаимодействие среды. Все вышеуказанные факторы влияют на процессы горения и взрыва, а те обратно на состояние среды. Конкретные процессы требуют учета геометрии исследуемой области взаимодействия, многомерности модели, начальных и внешних условий. Детальный анализ возникающих здесь нелинейных эффектов расширил понимание процессов. Достаточно указать на фактор “сверхадиабатичности”, открывающий возможности самоподдерживающегося экзотермического взаимодействия низкокалорийных сред. Многое прояснилось и в квазистационарной динамике распространения фронта горения, его устойчивости, полноты превращения исходных реагентов, распаде одного фронта на несколько, распространяющихся с разными скоростями. Актуальными для этих систем являются исследования теплового взрыва с учетом фильтрации одного из реагентов, многомерные явления зкзотермического превращения в условиях естественной конвекции, моделирование процессов детонационного превращения.

К наиболее трудно исследуемым системам следует отнести взаимодействие многокомпонентных порошков и пористых составов. Одной из важнейших пробпем здесь проблем является математическое моделирование химического взаимодействия, процесс массообмена и смешения реагентов. Здесь существует масса гипотез, догадок и мало адекватных процессу количественных моделей. Реальные эксперименты показывают существование здесь как процессов горения, так и распространение детонационных волн. Необходимая для описания этих гетерогенных процессов термодинамическая и макрокинетическая информация должна извлекаться в экстремальных условиях нестационарной динамики и малых времен взаимодействия. Представляются здесь перспективными многоуровневые математические модели, характеризующие динамику на макро и микро уровне.


Разработка исследовательских пакетов программ анализа математических моделей

Компьютерное моделирование, будучи инструментом научного исследования современных технологий и процессов, выдвигает вопросы собственного оптимального использования. Необходимо аккумулировать и преобразовывать в общедоступную форму постоянно появляющиеся и целесообразные для широкого использования модели и программы процессов горения и детонации. В настоящее время в мире получили распространение ряд програмных комплексов, позволяющих решать одномерные, двумерные и трехмерные задачи. Дальнейшее развитие численного моделирования процессов горения и взрыва в конкретных технологических условиях основывается на расширеии доступности, развитии сервиса для формулировки задачи, конкретных начальных и граничных условий, возможности более полного учета теплофизических и макрокинетических параметров среды, на расширении возможности различных форм обработки информации (получении различных обобщающих интегральных данных, графического изображения эволюции процесса, доступа к локальной информации в конкретно заданном элементе среды).

Для научных исследований целесообразна разработка библиотеки широкого спектра моделей, алгоритмов и программ, позволяющих создать из таких блоков инструмент для исследования конкретного процесса с учетом его индивидуальных особенностей. Как правило, в области фундаментальных исследований достаточно часто можно выделить разделы, моделируемые в рамках уже известных подходов. Однако в ряде случаев требуются модели сфокусированные на конечную цель, где методы анализа модели жестко приспособлены к специфическим особенностям процесса. Учет специфики позволяет за разумное время получить интересуемый результат. В такой ситуации срабатывает опыт, интуиция и априорная информация исследователя.

Таким образом при всей несомненной пользе общих пакетов исследовательских программ, где сосредоточен опыт предшествующих исследований, и которые позволяют существенно сократить сроки анализа, необходимо постоянное обновление и пополнение самих пакетов. Здесь важно разрабатывать новые приближенные методы решения задач горения и взрыва (это соприкасается с исследованиями в области прикладной математики). Здесь важно учитывать постоянно расширяющиеся и меняющиеся возможности вычислительных ресурсов и приданного им сервисного обслуживания (это соприкасается с проблемами программирования на различных языках, знанием компьютерной базы).

Комплексный характер исследований



Разработка новых математических моделей требует комплексного знания фундаментальных основ физики и химии процесса, экспериментальной информации и возможностей математического моделирования, правильной оценки всей полученной информации и ее интерпретации. Процессы горения и взрыва для свего успешного исследования требуют комплексных усилий: “теория-эксперимент-математическое моделирование”. Наибольшего успеха следует ожидать, когда эти три фактора успешно взаимодействуют. Это лучше всего реализуется в научных центрах, где сосредоточен научный потенциал и иследовательская база. Современный высокий уровень математического моделирования достигается при концентрации достаточного количества профессионалов и высококачественной вычислительной базы.


Подготовлено К.Г. Шкадинским.

Добавить в свой блог или на сайт

Похожие:

Математическое моделирование процессов горения и взрыва iconМатематическое моделирование термомеханических процессов в системах армированных стержней при экстремальных тепловых воздействиях
Специальности: 05. 13. 18 – Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

Математическое моделирование процессов горения и взрыва iconКафедра «Математическое моделирование экономических процессов»
Михалева М. Ю. «Математические методы и модели оценки активов». Рабочая учебная программа для студентов факультета магистерской подготовки,...

Математическое моделирование процессов горения и взрыва iconКафедра «Математическое моделирование экономических процессов»
Михалева М. Ю. «Математические методы и модели оценки активов». Рабочая учебная программа для студентов факультета магистерской подготовки,...

Математическое моделирование процессов горения и взрыва iconИнститут механики и энергетики кафедра теплоэнергетических систем теория горения и взрыва
Научиться определять расчетным путем теоретические температуры взрыва – при постоянном давлении Тp и постоянном объеме тv, и давление...

Математическое моделирование процессов горения и взрыва iconРабочая программа учебной дисциплины ен. Р. 01. «Математическое моделирование технологических процессов и интегральных микросхем» для специальности 210104 "Микроэлектроника и твердотельная электроника" очной формы обучения
ЕН. Р. 01. «Математическое моделирование технологических процессов и интегральных микросхем» для специальности 210104

Математическое моделирование процессов горения и взрыва iconМатематическое моделирование технологических процессов моделирование в среде Mathcad практикум
Целью практикума является освоение студентами методов математического моделирования технологических процессов с использованием современных...

Математическое моделирование процессов горения и взрыва iconН. В. Гринева Теория риска и моделирование рисковых ситуаций
Рецензент: М. С. Красс, д ф м наук, профессор кафедры «Математическое моделирование экономических процессов»

Математическое моделирование процессов горения и взрыва iconИнститут механики и энергетики кафедра теплоэнергетических систем теория горения и взрыва
Овладение методами расчета теплового баланса процесса горения газообразных, жидких и твердых топлив. Работа сводится к решению следующих...

Математическое моделирование процессов горения и взрыва iconМатематическое моделирование и выбор параметров механизмов в комплексе с приводными системами
Специальность 05. 13. 18 – Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

Математическое моделирование процессов горения и взрыва iconМатематическое моделирование многомерных квазистационарных электромагнитных полей в канале электродинамического ускорителя
Специальность 05. 13. 18 математическое моделирование, численные методы и комплексы программ


Разместите кнопку на своём сайте:
lib.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©lib.convdocs.org 2012
обратиться к администрации
lib.convdocs.org
Главная страница