Исследователи из Сколтеха опубликовали в журнале Physica D работу, в которой представлен анализ стационарных распространяющихся волн горения, от медленного пламени до сверхзвуковых волн детонации. В основе исследования — математическая модель авторов, которая воспроизводит ключевые физические свойства сложных процессов горения и позволяет получить точные аналитические и численные решения. Результаты работы, поддержанные грантом РНФ, важны для понимания физических механизмов перехода волн горения в детонацию, а также для разработки безопасных двигателей, систем сжигания топлива и защиты промышленных объектов от нежелательных взрывов.

Учёные выделили несколько основных типов волн горения. Самый мощный из них — сильная детонация. Это сверхзвуковая ударная волна, которая резко сжимает и нагревает смесь, из-за чего затем в ней начинается химическая реакция. Такая волна очень стабильна. В слабых детонациях и слабых волнах горения нет резкого ударного скачка. Химическая реакция начинается, только если смесь уже заранее нагрета до температуры, при которой она может воспламениться. Эти режимы возникают редко, только в особых условиях, и легко могут разрушиться или перейти в другой тип волны. Наконец, обычное пламя — это медленная, дозвуковая волна. Его скорость зависит от того, как быстро выделяемое в реакции тепло успевает прогревать свежее холодное топливо впереди.

Чтобы получить эти результаты, учёные использовали два взаимодополняющих метода. Сначала был применён аналитический подход для получения приближённых формул, описывающих структуру волн в разных зонах. Эти формулы раскрывают общие закономерности. Затем провели точные компьютерные расчёты по полным уравнениям модели, чтобы проверить полученные формулы. Такой двойной подход позволил не только подтвердить правильность теоретических выводов, но и наглядно показать, как меняются волны горения — их температура, давление и ход реакции — при изменении условий. Важным итогом стало сравнение решений упрощённой модели с решениями гораздо более сложных и полных уравнений газовой динамики (уравнений Навье–Стокса для сжимаемых реагирующих течений). Их близкое сходство доказало, что, несмотря на относительную простоту, модель авторов правильно улавливает фундаментальную физику волн горения, что делает её мощным инструментом для дальнейших теоретических исследований.

«Эта работа показывает, что даже сильно упрощённые модели могут служить мощным инструментом для понимания сложных динамических процессов. Мы не только подтвердили качественное соответствие нашей модели уравнениям Навье–Стокса, но и создали основу для будущих исследований — например, анализа устойчивости волн или изучения переходных режимов горения», — поделился первый автор работы Шамиль Магомедов, аспирант программы «Инженерные системы» в Сколтехе.

Руководитель исследования, доцент Центра искусственного интеллекта Сколтеха Аслан Касимов, подчёркивает теоретическую и практическую важность работы: «Эта модель значительно проще полных уравнений, но при этом достаточно сложна, чтобы позволить  эффективно исследовать, как развивается горение во всех его проявлениях. Полная классификация всех стационарных режимов горения стала первым шагом. Теперь можно изучать, насколько эти режимы устойчивы, как они взаимодействуют друг с другом и при каких условиях происходит опасный переход от обычного медленного пламени к взрывной волне детонации. Это напрямую связано с задачами управления процессом горения и предотвращения аварий в двигателях и промышленных установках».