ИСТИНА

Данный проект направлен на получение фундаментальных результатов предсказательного суперкомпьютерного моделирования гидро-газодинамических процессов с учетом физико-химических превращений и реакций на молекулярном уровне. В рамках данного проекта будет создан численный трехмерный код для прогнозирования возникновения горения, перехода горения в детонацию и развития взрыва в смесях водородных и углеродных горючих материалов с воздухом с учетом цепного механизма горения и влияние ингибиторов на цепную лавину. Методы предсказательного вычислительного моделирования развития взрыва в условиях учета влияния ингибиторов на обрыв реакционных цепей развиваются впервые и являются приоритетными. Кроме того, с применением разработанного программного кода будет определен механизм развития и подавления взрыва в атмосфере, неоднородной по распределению концентрации горючего компонента (водорода или метана), а также неоднородной по составу ингибитора. Данные исследования будут крайне актуальны, поскольку в реальных условиях выбросы горючего происходят локально и образуют горючую смесь неоднородной концентрации, в которой возможен ускоренный переход горения в детонацию. С другой стороны, инжекция ингибитора в аварийной ситуации также происходит локально и формирует облако переменной концентрации. Проведение широкомасштабного вычислительного эксперимента позволит прогнозировать влияние места и объемов распыления ингибитора на эффективность подавления взрыва. Результаты данного исследования могут быть использованы и внедрены в производство в сферах энергетики, транспорта, взрыво-пожаробезопасности, а также интенсификации добычи полезных ископаемых. Разработанная методика управления процессами горения и ингибирования перехода горения во взрыв, апробированная на математической модели и в лабораторных экспериментах, может быть использована для обеспечения безопасности на производстве, транспорте и в добывающих отраслях.

Although hydrocarbon raw materials still continue to be the main source of energy on our planet, their reserves are not endless. In this regard, and also taking into account the sharp deterioration of the environmental situation in the world, research in the field of alternative energy sources is one of the country's priority development strategies. Hydrogen energy is of increasing interest as one of the most promising and environmentally friendly ways out of the energy crisis against the backdrop of the depletion of hydrocarbon resources. However, in addition to significant advantages, the use of hydrogen also brings big problems. Although hydrogen is already used as a fuel in space rockets, its widespread use presents a number of serious problems and limitations. Hydrogen is an explosive substance, it can catch fire even from static electricity, and the flame propagation rate is estimated as high. Most often, physical barriers are used to prevent an explosion during the interaction of hydrogen with oxygen. But recently, more and more research is aimed at studying chemical methods for controlling various combustion regimes. Scientists, including participants in this project, have shown the effectiveness of using inhibitors to control the combustion of hydrogen-air mixtures. In addition, most often detonation is considered on the basis of a model of a one-stage reaction of valence-saturated molecules, although this approach does not explain the reasons for the occurrence of extremely high rates of chemical transformations and their strong temperature dependence, the main characteristics of explosion and detonation processes. Also, the temperature dependence of the reaction rate is usually represented by the Arrhenius formula, although the Arrhenius law refers not to the reaction rate, but to the rate constant, and does not describe the observed sharp acceleration of the process during a thermal explosion and detonation. Thus, in order to obtain reliable simulation results, as well as agreement with experimental data, it is necessary to correctly simulate chemical processes. This project is aimed at obtaining fundamental results of predictive supercomputer modeling of hydro-gas-dynamic processes, taking into account physical and chemical transformations and reactions at the molecular level. Within the framework of this project, a numerical three-dimensional code will be created to predict the onset of combustion, the transition of combustion to detonation and the development of an explosion in mixtures of hydrogen and carbon combustible materials with air, taking into account the chain combustion mechanism and the effect of inhibitors on a chain avalanche. Methods for predictive computational modeling of the development of an explosion under the conditions of taking into account the effect of inhibitors on the termination of reaction chains are being developed for the first time and are a priority. In addition, using the developed program code, the mechanism for the development and suppression of an explosion in an atmosphere that is inhomogeneous in the distribution of the concentration of the combustible component (hydrogen or methane), as well as inhomogeneous in the composition of the inhibitor, will be determined. These studies will be extremely relevant, since in real conditions fuel emissions occur locally and form a combustible mixture of inhomogeneous concentration, in which an accelerated transition of combustion to detonation is possible. On the other hand, the injection of an inhibitor in an emergency situation also occurs locally and forms a cloud of variable concentration. Carrying out a large-scale computational experiment will make it possible to predict the influence of the place and volumes of inhibitor spraying on the efficiency of explosion suppression. The results of this study can be used and introduced into production in the fields of energy, transport, explosion and fire safety, as well as the intensification of mining. The developed technique for controlling combustion processes and inhibiting the transition from combustion to explosion, tested on a mathematical model and in laboratory experiments, can be used to ensure safety in production, transport and in the extractive industries.

– Создать численный трехмерный код для прогнозирования возникновение горения, перехода горения в детонацию и развития взрыва в смесях водородных и углеродных горючих материалов с воздухом с учетом цепного механизма горения и влияние ингибиторов на цепную лавину. Методы предсказательного вычислительного моделирования развития взрыва в условиях учета влияния ингибиторов на обрыв реакционных цепей развиваются коллективом впервые и являются приоритетными. – Проверить и уточнить кинетические механизмы горения водородо-воздушных смесей с помощью событийного молекулярно-динамического моделирования, оценить степень неравновесности функции распределения скорости молекул различных компонент на различных этапах цепной реакции и справедливости записи коэффициентов скоростей элементарных стадий в форме Аррениуса. – Создать методику определения оптимального ингибирования водородо-воздушных и метано-воздушных смесей по данным численного моделирования, в том числе с помощью моделирования химической кинетики на молекулярном уровне. – Провести тестирование и валидацию вычислительного симулятора по данным лабораторных экспериментов. – С применением разработанного симулятора определить механизмы развития и подавления взрыва в атмосфере, неоднородной по распределению концентрации горючего компонента (водорода или метана), а также неоднородной по составу ингибитора. Эти исследования необходимы ввиду того, что в реальных условиях выбросы горючего происходят локально и образуют горючую смесь неоднородной концентрации, в которой возможен ускоренный переход горения в детонацию. С другой стороны, инжекция ингибитора в аварийной ситуации также происходит локально и формирует облако переменной концентрации. Проведение широкомасштабного вычислительного эксперимента позволит прогнозировать влияние места и объемов распыления ингибитора на эффективность подавления взрыва. – Определить потенциальную опасность длительной транспортировки и нахождения водорода в металлических трубопроводах с учетом просачивания водорода через стенки, смешения с окружающим воздухом и формирования взрывоопасной смеси. Рассчитать необходимую скорость и объем вентиляции окружающего емкость пространства с целью недопущения формирования облака взрывоопасной концентрации. – Разработать модель и методику расчета взаимодействия молекул водорода с наноструктурированными материалами в зависимости от значения внешних определяющих параметров: давления и температуры. – Разработать модели горения и перехода горения во взрыв в синтез газе, содержащем смесь молекулярного водорода и угарного газа. С применением разработанного симулятора определить механизмы развития и подавления взрыва в атмосфере, неоднородной по распределению концентрации синтез газа, а также неоднородной по составу ингибитора с учетом цепного механизма воспламенения и обрыва реакционных цепей под воздействием ингибитора. – С применением широкомасштабного вычислительного эксперимента определить динамику развития взрыва в смесях метана с воздухом в замкнутых пространствах с учетом неоднородности распределения метана и выброса ингибитора. Определить оптимальные места выброса ингибитора по отношению к местам потенциального возникновения искр зажигания.

Научный коллектив обладает компетенциями в разных областях вычислительного и математического моделирования и опытом в реализации проектов по данной тематике. За последние 5 лет членами научного коллектива были получены научные результаты, опубликованные в 427 статья и трудах конференций, из них 157 в изданиях Web of Science/Scopus, причем более 80 в журналах первого квартиля (Q1). Руководитель проекта – профессор Смирнов Н.Н. возглавляет лабораторию волновых процессов механико-математического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, является профессором и заместителем заведующего кафедрой газовой и волновой динамики механико-математического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, академиком Международной академии Астронавтики, действительным членом РАЕН, заслуженным профессором МГУ им. М.В. Ломоносова. Профессор Смирнов Н.Н. является специалистом по математическому моделированию динамических процессов в многофазных средах с учётом физических и химических превращений. Им получены приоритетные результаты по исследованию неравновесных переходных процессов в метастабильных средах, предсказательному моделированию горения и взрыва и оценкам точности вычислений. Также участником данного проекта является Азатян Вилен Вагаршович – д.х.н., член–корр. РАН, автор около 500 публикаций в центральных научных журналах России и за рубежом, четырех монографий, изданных в России, в Англии и в Германии, автор более 20 патентов России и одного патента США. Азатяном В.В. выявлены основные факторы, определяющие протекание горения, взрыва и детонации газов, а также объяснены закономерности этих процессов, не находившие объяснения ранее. Эти результаты приоритетны в масштабах России и за рубежом. Также разработаны эффективные методы для управления горением, взрывом и детонацией газов в авиации и в шахтах. Методы прошли успешные испытания при межведомственных комиссиях. За последние 5 лет коллективом получен ряд патентов на объекты патентного права:

В данном проекте будут изучены процессы горения, перехода горения в детонацию и развития взрыва с учетом влияния ингибиторов на цепную лавину. Методы предсказательного вычислительного моделирования развития взрыва в условиях учета влияния ингибиторов на обрыв реакционных цепей развиваются коллективом впервые и являются приоритетными. Результаты данного проекта по использованию ингибиторов для контроля процессов горения, перехода горения в детонацию и развития взрыва будут способствовать развитию химических методов регулирования горения водородо-воздушных смесей. Разработанная методика управления процессами горения и ингибирования перехода горения во взрыв, апробированная на математической модели и в лабораторных экспериментах, может быть использована для обеспечения безопасности на производстве, транспорте и в добывающих отраслях. Кроме того, результаты данного исследования могут быть использованы и внедрены в производство в сферах энергетики, транспорта, взрыво-пожаробезопасности, а также интенсификации добычи полезных ископаемых. Ожидаемые результаты исследований по теме находятся на мировом уровне, а по некоторым направлениям и превосходят его. Использование открывающихся здесь возможностей для развития фундаментальной науки способствует реализации технологического прорыва России.