Газовая и волновая динамика - часть 4

лярного давления. Выявлено, что плотность твердой фазы и скорость звука в смеси
оказывают решающее влияние на процессы распространения волн. Исследовано рас-
пространение собственной волны детонации.

В работах Зверева И. Н. исследовано распространение неоднородной детонации

в предварительно не перемешанных двухфазных системах (криогенный окислитель
и тонкий слой горючего на стенках). Показано, что образуется самоподдерживаю-
щийся нестационарный комплекс, содержащий сильные и слабые разрывы и зоны
горения или зоны детонации, периодически возникающие у стенок. Исследована де-
тонация в тонких пластинах, пропитанных жидким кислородом с учетом разлета
в зоне детонации. Выявлена зависимость скорости распространения детонации от
толщины пластины.

Многоплановы интересы Гендугова В. М.. Его пионерские работы посвящены со-

зданию теории детонации гетерогенных систем с предварительно неперемешанными
фазами, поведению пленок жидкости за ударной волной, выявлению пространствен-
ных особенностей внутренней баллистики взрывного компрессора.

Созданная И. Н. Зверевым школа по процессам детонации и горения внесла ве-

сомый вклад в подготовку специалистов этих направлений науки. Основные этапы
научной работы отражены в двух монографиях (Зверев И. Н., Смирнов Н. Н. «Газоди-
намика горения», М.: Изд-во МГУ, 1987; Смирнов Н. Н., Зверев И. Н. «Гетерогенное
горение», М.: Изд-во МГУ, 1992) и следующих статьях: Зверев И. Н., Гендугов
В. М., «Детонация гетерогенных систем предварительно не смешанных фаз», ФГВ,
1975, № 6; Гендугов В. М., Зверев И. Н. «Температура поверхности теплопроводя-
щей жидкости за ударной волной при наличии массообмена и химических реакций
в пограничном слое», Вестн. МГУ, Сер. 1, Матем. Механ, 1973, № 1; Гендугов В. М.
«Детонация гетерогенных систем предварительно несмешанных фаз», ФГВ, 1972, №
4; Гендугов В. М. «О структуре волн детонации в гетерогенных системах с предвари-
тельно несмешанными фазами», ФГВ, 1979, № 5; Гендугов В. М. «Об устойчивости
границы раздела газ-жидкость за фронтом ударной волны, скользящей вдоль поверх-
ности пленки жидкости», ФГВ, 1978, № 1; Гендугов В. М. «Диффузионное пламя в
турбулентном пограничном слое за ударной волной, скользящей вдоль поверхности
жидкого топлива», ФГВ, 1979, № 2; Гендугов В. М., Моргунов Ю. А. «Внутренняя
баллистика взрывного компрессора», Вестн. МГУ, Сер. 1, Матем. Механ, 1987, №
1; Зверев И. Н., Смирнов Н. Н. «Тепло-массообмен над слоем горючего за ударной
волной», ФГВ, 1981, № 6; Смирнов Н. Н. «Горение слоя топлива при обдувании
поверхности потоком окислителя», ФГВ, 1982, № 5; Смирнов Н. Н. «Нестационар-
ное гетерогенное горение топлива», ФГВ, 1991, № 2; Smirnov N. N. «Combustion and
detonation in multiphase media. Initiation of detonation in dispersed-film systems behind
a shock wave», Int. J. of Heat and Mass Transfer, 1988, Vol. 31, No. 4; Смирнов Н. Н.
«Горение и детонация в многофазных средах, содержащих жидкое горючее», ФГВ,
1988, Т. 24, № 3.

Эффект образования кумулятивной струи при взрывном обжатии металлического

конуса был открыт еще в конце позапрошлого века и достаточно широко использует-
ся по настоящее время для разрушения и перфорации твердых массивов в добываю-

20

щей промышленности и в военном деле. На кафедре проводились как аналитические,
так и численные исследования нестационарных процессов формирования кумулятив-
ных струй. Получено аналитическое решение задачи нестационарного формирования
кумулятивной струи в рамках модели несжимаемой жидкости, обобщающее извест-
ное стационарное решение Лаврентьева М. А. (Смирнов Н. Н. «Формирование ку-
мулятивных струй», Вестн. МГУ, Сер. 1, Матема. Механ, 1981, № 4; Смирнов Н. Н.
«Нестационарное формирование кумулятивной струи в плотной среде», Вестн. МГУ,
Сер. 1, Матем. Механ, 1985, № 6; Смирнов Н. Н. «Разлет продуктов детонации
трубчатого заряда», Вестн. МГУ, Сер. 1, Матем. Механ, 1987, № 5).

Кумуляция нестационарных ударных и акустических волн в газе при их отраже-

нии от вогнутых стенок изучалась в работах Сагомоняна А. Я. и Гувернюка С. В.,
в частности, объяснен механизм разрушения автомодельного режима регулярного
отражения, приводящего к неограниченной кумуляции для сильной плоской удар-
ной волны, проникающей вглубь конической полости (Гувернюк С. В., Сагомонян
А. Я. «Особенности регулярного отражения ударной волны от стенок конической
воронки», Вестн. МГУ, Сер. 1, Матем. Механ, 1983, № 3);

Разработана модель конвективного горения унитарных сжимаемых пористых топ-

лив. Установлено существование самоподдерживающихся режимов, обладающих ха-
рактеристиками как детонационных, так и дефлаграционных волн (Смирнов Н. Н.
«Конвективное горение в каналах и трещинах в твердом топливе», ФГВ, 1985, №
5; Смирнов Н. Н. «Конвективное горение и слабая детонация в твердых топливах»,
Вестн. МГУ, Сер. 1, Матем. Механ, 1987, № 3; Смирнов Н. Н., Димитриенко И. Д.
«Исследование конвективного горения в сжимаемом твердом топливе с продольными
каналами», ФГВ, 1990, № 4; Смирнов Н. Н. «Модель горения пористых дисперги-
рующих топлив», ФГВ, 1991, № 1; Смирнов Н. Н., Бердюгин А. Г. «О существова-
нии стационарных самоподдерживающихся режимов сгорания пористых и канальных
топлив», ФГВ, 1991, № 4).

Проведены комплексные экспериментальные и теоретические исследования ме-

ханизмов перехода горения в детонацию в гомогенных и гетерогенных топливовоз-
душных смесях. Впервые обнаружено, что при переходе горения в детонацию в газах
возможна реализация пяти различных сценариев. Показано, что существовавшие ра-
нее теоретические представления о двух возможных механизмах: «взрыва во взрыве»
А. Оппенгейма и «спонтанного пламени» Зельдовича Я. Б., — суть не взаимно ис-
ключающие, а взаимно дополняющие механизмы, но работающие на различных ха-
рактерных масштабах. Именно комбинацией этих двух механизмов и вызвано экспе-
риментально обнаруженное многообразие сценариев переходных процессов (Смирнов
Н. Н., Бойченко А. П. «Переход горения в детонацию в бензино-воздушных смесях»,
ФГВ, 1986, № 2; Смирнов Н. Н., Панфилов И. И. «Режимы развития горения и де-
тонации в газовых смесях», ФГВ, 1992, № 5; Смирнов Н. Н., Панфилов И. И. «Чис-
ленное моделирование перехода горения в детонацию в гомогенных горючих газовых
смесях», Вестн. МГУ, Сер. 1, Матем. Механ, 1993, № 3; Смирнов Н. Н., Тюрников
М. В. «Переход горения в детонацию в углеводородо-воздушной газовой смеси»,
ФГВ, 1994, № 1; Smirnov N. N., Panfilov I. I. «Deflagration to detonation transition in

21

combustible gas mixtures», Combustion and Flame, 1995, Vol. 101, № 1/2; Smirnov
N. N., Tyurnikov M. V. «Experimental investigation of deflagration to detonation
transition in hydrocarbon-air gaseous mixtures», Combustion and Flame, 1995, Vol.
100, № 4; Smirnov N. N., Zverev N. I., Tyurnikov M. V. «Theoretical and experimental
study of shock wave propagation in multiphase hydrocarbon-air mixture», Shock Waves,
Eds. R. Brun, Dumitrekcu L. Z., Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, 1995, vol. 4;
Smirnov N. N., Panfilov I. I., Tyurnikov M. V., Berdyugin A. G. «Theoretical and
experimental Study of deflagration to detonation transition and instability of detonation
structure in gases», Archivum Combustionis, 1996, № 1 – 2; Smirnov N. N., Nikitin
V. F., Boichenko A. P., Tyurnikov M. V., Legros J. C., Shevtsova V. M. «Control
of Detonation Onset in Combustible Gases», High Speed Deflagration and Detonation:
Fundamentals and Control, Moscow, Elex-KM Pbl, 2001; Smirnov N. N., Nikitin V. F.
The influence of confinement geometry on deflagration to detonation transition in gases.
Journ. Phys. IV France, 2002, v.12, Pr. 7).

Проведенные исследования по переходу горения в детонацию в смесях бензи-

на и дизельного топлива с воздухом позволили разработать эффективный генера-
тор детонационных волн импульсного периодического действия. Созданное на его
базе устройства для бурения грунтов было отмечено медалями ВДНХ, выставок
в Хельсинки и Берлине (Смирнов Н. Н., Зверев И. Н., Бойченко А. П., Курни-
ков С. А. «Внутренняя баллистика детонационной установки для разработки грун-
тов», в кн.: Проблемы динамики взаимодействия деформируемых сред. Ереван, 1987;
Smirnov N. N., Zverev N. I., Boytchenko A. P. «Der einsatz des gasdetonationsprinzipes
zur durchdringung herter und gefrorener bodenschichten», Harvard des Ostens, Berlin,
1993).

Исследованы режимы нестационарного диффузионного горения топлив, когда го-

рючее и окислитель не перемешаны и динамика горения определяется процессами
смешения. Получены автомодельные решения и численно исследованы осесиммет-
ричные нестационарные задачи. Показано существование колебательного режима
диффузионного горения (Смирнов Н. Н. «Диффузионное горение жидкого топлива в
потоке с распределенными параметрами», ФГВ, 1984, № 3; Smirnov N. N. «Heat and
mass transfer in unsteady-state diffusion combustion of a condensed fuel surface», Int.
J. of Heat and Mass Transfer, 1986, Vol. 29, № 5; Смирнов Н. Н., Плотников С. А.
«Поверхностное диффузионное горение гетерогенных систем с жидким топливом»,
Вестн. МГУ, Сер. 1, Матем. Механ, 1983, № 5; Смирнов Н. Н. «Гетерогенное диф-
фузионное горение конденсированного топлива в невесомости», ФГВ, 1994, Т. 30,
№ 5; Smirnov N. N., Nikitin V. F. «Unsteady-state turbulent diffusive combustion in
confined volumes», Combustion and Flame, 1997, Vol. 111, № 3).

Исследованы гетерогенные каталитические реакции и влияние внешнедиффузи-

онного торможения на динамику реакции при трехстадийном адсорбционном ме-
ханизме реакции. Впервые установлено, что внешняя диффузия не только количе-
ственно влияет на скорость протекания реакции, но и качественно меняет фазовый
портрет реакции: возрастает количество стационарных состояний и меняется их ме-
сто расположения на фазовой плоскости. Объяснена природа гистерезиса скорости

22

каталитической реакции при изменении парциального давления одного из реагентов
(Смирнов Н. Н., Южаков В. В. «Динамика каталитической реакции окисления CO
на Pt катализаторе с учетом диффузионного торможения», ФГВ, 1993, Т. 29, № 6;
Смирнов Н. Н., Южаков В. В. «Стационарное и нестационарное окисление CO на
платине с учетом внешнедиффузионного торможения», ФГВ, 1996, Т. 32, № 6).

Труды коллектива специалистов по химической физике, посвященные релаксации

колебательной энергии, диссоциации и рекомбинации двухатомных молекул в газо-
вой фазе, в составе которой работал Куксенко Б. В. (Kuksenko B. V., Losev S. A. «On
the vibrational exitation of rotating molecules», 5-th ICPEAC, Ленинград, 1967; Кук-
сенко Б. В., Лосев С. А. «Возбуждение колебаний и распад двухатомных молекул
при атом-молекулярных столкновениях в газе высокой температуры», ДАН СССР,
1969, Т. 185), получили широкое признание.

Важное научное направление, связанное с

исследованием движения тел в ат-

мосфере Земли и другихпланет с учетом физико–химическихпроцессов, пред-
ставляет на кафедре Ковалев В. Л.

Ковалевым В. Л. развито новое направление исследования теплообмена с ка-

талитическими поверхностями высокотемпературных покрытий, применяемых для
теплозащиты космических аппаратов. На основе учета детального механизма гете-
рогенных каталитических процессов получены граничные условия на поверхности в
потоках диссоциированных и ионизованных многокомпонентных смесей газов. По-
казано, что эффективные коэффициенты каталитической активности теплозащитных
покрытий являются немонотонными функциями температуры, существенно зависят
от парциальных давлений компонентов и могут зависеть от диффузионных потоков.
При этом температурные зависимости эффективных коэффициентов каталитично-
сти имеют ярко выраженный максимум, величина и положение которого зависит от
давления и состава газа у поверхности. Такое поведение коэффициентов рекомбина-
ции от температуры подтверждается экспериментальными данными и имеет важное
значение для проектирования перспективных космических аппаратов, входящих в ат-
мосферу с большими скоростями, когда температура поверхности превышает 1500 К.
Установлен также факт немонотонной зависимости коэффициентов рекомбинации от
полного давления для современных теплозащитных плиточных покрытий.

В отличие от используемых ранее в таких задачах постоянных значений эффек-

тивных коэффициентов каталитической активности или их аррениусовых аппрок-
симаций от температуры предложенная модель описания каталитических свойств
теплозащитных покрытий позволяет правильно интерпретировать как лабораторные,
так и натурные экспериментальные данные и проводить исследования в широком
диапазоне условий в набегающем потоке. В частности такой подход позволяет опи-
сать теплообмен на всей траектории входа вдоль боковой поверхности многоразовых
космических аппаратов «Буран» и «Спейс Шаттл».

Ковалевым В. Л. разработаны и исследованы физико-математические модели опи-

сания течений у каталитических поверхностей при полете тел с большими сверхзву-
ковыми скоростями в атмосферах Земли и Марса. Исследовано влияние катали-
тических свойств поверхности на теплообмен, уровень ионизации в ударном слое

23