Проект "Пиролиз"

Материал из Department of Theoretical and Applied Mechanics
Перейти к: навигация, поиск
Кафедра ТМ > Проект "Пиролиз"

Название

Создание высокопроизводительных программных средств для предсказательного моделирования процесса коксообразования в тракте охлаждения жидкостных ракетных двигателей (ЖРД)

Аннотация

Проект направлен на создание высокопроизводительных программных средств для предсказательного моделирования процесса коксообразования в тракте охлаждения жидкостных ракетных двигателей на основе метода динамики частиц. Одной из основных целей проекта является разработка аналитических и компьютерных моделей, позволяющих c высокой степенью точности описывать процесс коксообразования и исследовать его влияние на работу каналов охлаждения. В сфере приложений проект отвечает следующим приоритетным направлениям:

  1. Перспективные вооружения, военная и специальная техника.
  2. Информационно-телекоммуникационные системы (супервычисления)

Основные задачи проекта: разработка аналитических и компьютерных моделей, адекватно описывающих образование, сильное деформирование и разрушение углеводородов, в частности, керосина, а также взаимодействие углеводородов с поверхностью металлов; создание программного комплекса для предсказательного моделирования процессов, происходящих в каналах охлаждения жидкостных ракетных двигателей, методом динамики частиц; адаптация разрабатываемых методов к их эффективному использованию на многопроцессорных вычислительных системах; разработка и тестирование эффективных параллельных алгоритмов; исследование закоксовывания стенок тракта охлаждения в процессе термической диссоциации охладителя; оценка влияния термодинамических параметров на течение процесса закоксовывания; разработка компьютерных моделей процессов перегрева и термического разрушения закоксованных стенок каналов охлаждения.

Конкретная фундаментальная задача, на решение которой направлен проект

  1. Разработка аналитических и компьютерных моделей, адекватно описывающих образование, сильное деформирование и разрушение углеводородов, в частности, керосина, а также взаимодействие углеводородов с поверхностью металлов.
  2. Создание программного комплекса для предсказательного моделирования процессов, происходящих в каналах охлаждения жидкостных ракетных двигателей, методом динамики частиц.
  3. Адаптация разрабатываемых методов к их эффективному использованию на многопроцессорных вычислительных системах. Разработка и тестирование эффективных параллельных алгоритмов.
  4. Исследование закоксовывания стенок тракта охлаждения в процессе термической диссоциации охладителя. Оценка влияния термодинамических параметров на течение процесса закоксовывания.
  5. Разработка компьютерных моделей процессов перегрева и термического. разрушения закоксованных стенок каналов охлаждения.

Ожидаемые в конце 2011 года научные результаты

  1. Разработаны нелинейные потенциалы взаимодействия, адекватно описывающие образование, сильное деформирование и разрушение углеводородов, в частности, керосина. Проведена калибровка параметров потенциалов
  2. Разработаны и протестированы модели взаимодействия углеводородов с поверхностью металлов, в частности, меди
  3. Создан программный комплекс для моделирования углеводородов методом динамики частиц
  4. Решены тестовые задачи: деформирование, нагрев и диссоциация керосина
  5. Разработана компьютерная модель процесса коксообразования в канале охлаждения при высоких температурах.
  6. Определена зависимость интенсивности закоксовывания от термодинамических параметров процесса охлаждения (температуры, давления, скорости течения охладителя относительно стенки и т.п.)
  7. Проведено моделирование процессов перегрева и термического разрушения закоксованных стенок каналов охлаждения.

Современное состояние исследований в данной области

Процесс коксообразвания является одной из причин выхода из строя каналов охлаждения жидкостных ракетных двигателей. Для решения данной проблемы на этапе проектировании двигателей, как правило, используется хорошо разработанный аппарат механики сплошных сред. В результате удается получить поля термодинамических величин, таких как давление, температура, напряжения в стенке канала и т.д. Однако учет сложных физико-химических процессов, происходящих при термическом разложении охлаждающей углеводородной жидкости, требует построения сложных определяющих соотношений, содержащих большое число параметров. В результате, построение континуальных моделей коксообразования, обладающих предсказательной силой, представляет собой весьма сложную и до конца не решенную задачу. Одна из причин возникновения сложностей при применении методов механики сплошных сред состоит в том, что описываемый процесс коксообразования является принципиально многоуровневым. При этом ключевые процессы термического разложения углеводородов происходят на микро- (нано-) уровне, недоступном для описания методами механики сплошных сред. В такой ситуации необходимы подходы, позволяющие напрямую моделировать процессы на молекулярном уровне. В частности, для решения подобных задач активно используется метод динамики частиц (молекулярной динамики). При моделировании методом молекулярной динамики ключевую роль играют потенциалы межатомных взаимодействий. В литературе для моделирования углеродных и углеводородных соединении, как правило, применяются, так называемые многочастичные потенциалы, зависящие от положения большого числа частиц. Наиболее широкое распространение получили потенциалы Терзоффа (Tersoff, 1984), Бреннера (Brenner, 1990; Brenner, 2002), AIREBO (Adaptive Intermolecular Reactive Empirical Bond-Order; Zhao, 2002). Однако недостатком данных потенциалов является то, что они содержат огромное число параметров, а также требуют существенно больше вычислительных ресурсов, чем парные потенциалы. Поэтому в нашей группе разрабатывается альтернативный поход, основанный на использовании частиц с вращательными степенями свободы при использовании моментных взаимодействий. Данный подход успешно применялся для описания физико-механических свойств графена и алмаза (Иванова, Кривцов, Морозов, 2003; Кривцов, Беринский, 2010; Беринский, 2010). Подход также успешно применялся для моделирования диссоциации углеводородов (бензола) в рамках проекта 09-05-12071-офи_м “Кавитационный синтез углеродных наноструктур”. Несомненным преимуществом данного подхода является парность взаимодействий, позволяющая минимизировать число параметров и сэкономить большое число вычислительных ресурсов.

Участники проекта

Фамилия, И.О. Уч. степень, должность Роль в проекте
Кривцов А.М. Д.ф.-м.н., проф., зав. кафедрой Руководитель проекта
Кузькин В.А. К.ф.-м.н., зам. зав. кафедрой Исследователь
Лобода О.С. К.ф.-м.н., зам. зав. кафедрой Исследователь
Киюц А.В. Аспирант на кафедре Исследователь
Устинова А.А. Аспирант на кафедре Исследователь
Подольская Е.А. Ассистент на кафедре Исследователь
Соколов А.А. Студент на кафедре Исследователь

Литература и информационные источники

Производители ЖРД

Жидкостные ракетные двигатели (ЖРД)

Коксообразование

  • Hou K.C., Palmer H.B. The Kinetics of Thermal Decomposition of Benzene in a Flow System. J. Phys. Chem., 1965, 69 (3), pp 863–868 (download, pdf)

Википедия:

  • Карбонизация — повышение содержания углерода в органическом веществе, происходящее под действием тепла или других воздействий.
  • Коксование — процесс переработки жидкого и твёрдого топлива нагреванием без доступа кислорода.
  • Пиролиз — термическое разложение органических соединений без доступа воздуха.

Кокс

Топливо

См. также

Источник — «http://tm.spbstu.ru/?title=Проект_%22Пиролиз%22&oldid=43580»