Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского Российской академии наук (ИПМех РАН) Русский Русский
English English

Проезд
Карта сайта
НовостиОб институтеЛабораторииСоветыДиссертационный советОбразованиеКонференции, семинарыЖурналы, книги, ресурсыБиблиотекаПрофсоюзСотрудникам
Главная > Структура > Лаборатории > Термогазодинамики и горения > Юбилейные материалы 2025

Лаборатория термогазодинамики и горения. Юбилейные материалы и достижения 2015–2025 к 60-летию ИПМех РАН

ИПМех РАН 60 лет
Юбилейные материалы 2025
к 60-летию ИПМех РАН

Наиболее значимые результаты за 2015–2025 гг.

  1. Изучение многофазных течений при взаимодействии высокотемпературных расплавов со вскипающей жидкостью

    Исследовано взаимодействие высокотемпературных расплавов со вскипающей жидкостью применительно к проблемам паровых взрывов при тяжелых авариях на ядерных реакторах. Выполнено трехмерное прямое численное моделирование многофазных течений при стратифицированных паровых взрывах и взрывах одиночных капель расплава в воде. Проведены эксперименты и трехмерные расчеты всплесков расплава при ударе капель и струй воды, позволившие описать образование взрывоопасной многофазной области над поверхностью растекающегося под слоем воды расплава. На основании расчетов предложено новое объяснение взрывной фрагментации капель, связанное с ударом по капле кумулятивной микроструйки воды, возникающей при асимметричном схлопывании парового пузыря.


    • Паровой взрыв одиночной капли расплава в воде
      при симметричном и асимметричном
      схлопывании паровой пленки

    • Фрагментация капли расплава
      при симмметричном схлопывании
      паровой пленки

    • Дробление капли расплава
      за счет возникновения
      кумулятивной микроструйки
    1. Yakush S.E., Sivakov N.S., Melikhov O.I., Melikhov V.I. Three-phase VOF modeling of water jet – molten metal interaction. // Nuclear Engineering and Design. 2024. V. 418. Article 112893. DOI: 10.1016/j.nucengdes.2023.112893
    2. Yakush S.E., Sivakov N.S., Melikhov O.I., Melikhov V.I. Numerical modeling of water jet plunging in molten heavy metal pool. // Mathematics. 2024. V. 12. No. 1. Article 12. DOI: 10.3390/math12010012
    3. Yakush S.E., Sivakov N.S. Numerical modeling of high-temperature melt droplet interaction with water. // Annals of Nuclear Energy. 2023. V. 185. Paper 109718. DOI: 10.1016/j.anucene.2023.109718
    4. Yakush S.E., Chashechkin Y.D., Ilinykh A.Y., Usanov V.A. Experimental study on the interaction of an impulse water jet with molten metal. // Fluids. 2023. V. 8. No. 6. Article 166. DOI: 10.3390/fluids8060166
    5. Yakush S.E., Chashechkin Y.D., Ilinykh A.Y., Usanov V.A. The Splashing of Melt upon the Impact of Water Droplets and Jets. // Appl. Sci. 2021. V. 11. Paper 909. DOI: 10.3390/app11030909
    6. Мелихов В.И., Мелихов О.И., Якуш С.Е. Гидродинамика и теплофизика паровых взрывов. М.: ИПМех РАН, 2020, 276 с. ISBN 978-5-91741-259-7.
  2. Исследование горения легкоплавких твердых материалов в высокотемпературном потоке воздуха

    Создана экспериментальная установка для исследования горения легкоплавких твердых материалов в высокотемпературном потоке воздуха. Установка позволяет исследовать поведение легкоплавких материалов в широком диапазоне параметров воздушного потока, обтекающего поверхность образца: температура воздуха – до 750°C, давление – до 2 МПа, плотность потока воздуха – до 200 кг/(м2с). Рабочая камера установки снабжена смотровым окном и оборудована скоростной видеокамерой, позволяющей снимать процесс плавления, воспламенения и горения образца со скоростью до 106 кадров/с. В процессе работы установки измеряются расход воздуха, его температура на входе и выходе рабочей камеры, а также давление в рабочей камере и создаваемая ею тяга. В настоящее время выполнен цикл исследований плавления и воспламенения легкоплавких топлив и определены закономерности воспламенения и горения таких материалов.


    • Вид рабочей камеры экспериментальной
      установки с установленным в ней образцом

    • Вид работающей установки

    • Работа экспериментальной установки
      для исследований процессов горения
      твердого легкоплавкого топлива

    • Воспламенение капель расплавленного
      парафина за задней кромкой
      экспериментального образца

    • Воспламенение капель расплавленного
      парафина за задней кромкой
      укороченного экспериментального образца

    • Образец в рабочей камере
    1. Rashkovskii S.A., Yakush S.E. Numerical simulation of low-melting temperature solid fuel regression in hybrid rocket engines. // Acta Astronautica. 2020. V. 176. P. 710-716. DOI: 10.1016/j.actaastro.2020.05.002
    2. Yakush S.E., Rashkovskiy S.A., Bryzgalov A.I. Combustion in a solid fuel scramjet with channel geometry variation due to burnout. // Journal of Physics: Conference Series. 2019. Vol. 1250. Paper 012042. DOI: 10.1088/1742-6596/1250/1/012042
    3. Рашковский С.А., Милёхин Ю.М., Федорычев А.В., Якуш С.Е. Механизм стабилизации горения в канале заряда твердого топлива в прямоточном воздушно-реактивном двигателе // Доклады академии наук. Химия, науки о материалах, 490, № 1, С. 51-56, (2020). DOI: 10.31857/S2686953520010136
      = Rashkovskii S.A., Milekhin Y.M., Fedorychev A.V. et al. Mechanism of Stabilization of the Combustion in the Duct of the Solid Fuel Grain of a Solid Fuel Ramjet. // Dokl. Phys. Chem. 2020. Vol. 490. P. 9-13. DOI: 10.1134/S0012501620020013
    4. Rashkovskiy S.A., Yakush S.E., Baranov A.A. Combustion stability in a solid-fuel ramjet engine. // J. Phys.: Conf. Ser. 2018. Vol. 1009. No. 1. Paper 012032. DOI: 10.1088/1742-6596/1009/1/012032
  3. Теория горения гомогенных энергетических материалов с искривленной поверхностью

    Разработана теория горения гомогенных энергетических материалов с искривленной поверхностью. Получены зависимости скорости горения таких материалов от кривизны поверхности горения. Показано, что существует критическая кривизна поверхности горения, выше которой горение невозможно. Показано, что критический радиус кривизны поверхности горения пропорционален толщине прогретого слоя в конденсированной фазе энергетического материала. Выполнены экспериментальные исследования процесса горения гомогенных материалов с искривленной поверхностью горения. Для этого использовались специальным образом профилированные образцы. Зависимости скорости горения от кривизны поверхности горения, полученные в экспериментах, сравнивались с соответствующими теоретическими зависимостями.


    • Последовательные кадры горения образца
      с искусственно искривленной поверхностью горения

    • Зависимость скорости горения
      от кривизны поверхности горения.
      Точки – эксперимент, линии – теория
    1. Klimenok K.L., Rashkovskiy S.A. Discrete model of gas-free spin combustion of powder mixture. // Physical Review E. 2015. Vol. 91. Paper 012805. DOI: 10.1103/PhysRevE.91.012805
    2. Krupkin V.G., Marshakov V.N., Rashkovskiy S.A. Michelson-Markstein effect in combustion of solid homogeneous energetic materials. // Combustion and Flame. 2019. Vol. 205. P. 415-421. DOI: 10.1016/j.combustflame.2019.04.034
    3. Krupkin V.G., Marshakov V.N., Rashkovskiy S.A. Effect of the curvature of the burning surface on the burning rate of a solid homogeneous energetic material. // Combustion and Flame. 2019. Vol. 208. P. 45-50. DOI: 10.1016/j.combustflame.2019.07.004
    4. Krupkin V.G., Marshakov V.N., Rashkovskiy S.A. Oscillating and cellular structures on the burning surface of solid homogeneous energetic materials. // International Journal of Energetic Materials and Chemical Propulsion. 2019. Vol. 18. No. 4. P. 287-302. DOI: 10.1615/IntJEnergeticMaterialsChemProp.2019027692
  4. Теория агломерации частиц порошкообразного горючего при горении смесевых энергетических материалов

    Разработана теория и метод прямого численного моделирования агломерации частиц легкоплавких (например, алюминий) и тугоплавких (например, бор) порошкообразных горючих при горении смесевых энергетических материалов (СЭМ). В основе метода лежит моделирование исходной структуры СЭМ и последующее детальное описание поведения каждой отдельной частицы порошкообразного горючего, начиная с к-фазы СЭМ и, заканчивая отрывом агломератов или конгломератов (не до конца слившихся частиц) от поверхности горения. При этом учитывается нагрев частиц, их возможное плавление, окисление, действие сил поверхностного натяжения между контактирующими расплавленными частицами и отрывающая сила, действующая на частицы со стороны газообразных продуктов сгорания, оттекающих от поверхности горения. Показано, что агломерация легкоплавких порошкообразных горючих заканчивается образованием агломератов – капель на поверхности горения или в непосредственной близости от нее, в то время, как частицы тугоплавкого порошкообразного горючего образуют на поверхности горения СЭМ кораллообразные структуры (конгломераты), которые в таком виде отрываются от поверхности горения и воспламеняются только после попадания в высокотемпературный поток продуктов сгорания СЭМ.


    • Результат моделирования исходной структуры
      смесевого энергетического материала
      (белые частицы – перхлорат аммония,
      черные – октоген,
      серые – порошкообразное горючее,
      например, алюминий или бор)

    • Результат моделирования агломерация
      частиц бора (белые частицы –
      перхлорат аммония, серые – бор,
      горение сверху вниз)

    • Агломерация без учета
      отрывающей силы

    • Результат моделирования агломерации частиц алюминия
      (синие частицы – перхлорат аммония,
      серые – исходные частицы алюминия,
      желтые – расплавленные частицы алюминия)

    • Агломерация с учетом
      отрывающей силы
    1. Rashkovskiy S.A. Direct Numerical Simulation of Boron Particle Agglomeration in Combustion of Boron-Containing Solid Propellants. // Combustion Science and Technology. 2017. Vol. 189. No. 8. P. 1277-1293. DOI: 10.1080/00102202.2017.1294586
    2. Rashkovskiy S.A., Dolgoborodov A.Yu. Structure and behavior of gasless combustion waves in powders. // Combustion Science and Technology. 2017. Vol. 189. No. 12. P. 2220-2241. DOI: 10.1080/00102202.2017.1369054
    3. Rashkovskiy S.A. Formation of solid residues in combustion of boron-containing solid propellants. // Acta Astronautica. 2019. Vol. 158. P. 277-285. DOI: 10.1016/j.actaastro.2019.03.034
    4. Федорычев А.В., Милёхин Ю.М., Рашковский С.А. Конденсированные продукты сгорания борсодержащих твердых топлив // Доклады академии наук. Химия, науки о материалах, 500, С. 56-61, (2021). DOI: 10.31857/S2686953521050058
      = Fedorychev A.V., Milekhin Y.M., Rashkovskii S.A. Condensed Products of Combustion of Boron-Based Solid Propellants. // Dokl. Phys. Chem. 2021. Vol. 500. P. 79-84. DOI: 10.1134/S0012501621090013
    5. Rashkovskiy S.A. Combustion of condensed combustion products of boron-containing solid propellants in air. // International Journal of Energetic Materials and Chemical Propulsion. 2024. Vol. 23. No. 2. P. 25-38. DOI: 10.1615/IntJEnergeticMaterialsChemProp.2023049635
  5. Исследование горения метано-воздушных и пропано-воздушных смесей с добавками водорода в расширяющихся каналах Хеле-Шоу

    Смеси водорода с традиционными газообразными углеводородными топливами считаются перспективными с точки зрения снижения углеродного следа в промышленности, энергетике и транспорте. В лаборатории проводятся экспериментальные и теоретические исследования распространения ламинарного пламени в предварительно перемешанной газовой смеси в узких каналах, образованных двумя параллельными близко расположенными прозрачными пластинами (ячейка Хеле-Шоу), с внутренними стенками, образующими расходящийся канал (диффузор). Ширина зазора (между прозрачными пластинами) в канале варьируется от 2.5 мм до 6.5 мм, длина канала составляет 1.2 м, угол раскрытия канала (диффузора) варьируется от 5 до 25 градусов. В качестве топлива исследуются смеси метана или пропана, водорода и воздуха с относительным содержанием водорода от 0% до 50%. В процессе экспериментов производится видеосъемка с последующей раскадровкой и оцифровкой кадров, позволяющая исследовать структуру пламени, характеристики отдельных его элементов (ячеек, угловых точек), динамические и статистические параметры фронта пламени. Разрабатываются теоретические модели распространения пламени разного уровня (начиная от квазиодномерных с бесконечно тонким фронтом пламени и, заканчивая, трехмерными, учитывающими реальную кинетику, а также , вязкость и теплопроводность газовой смеси).


    • Распространение фронта пламени
      в стехиометрической смеси метана
      с воздухом в расширяющемся канале Хеле-Шоу

    • Идентификация элементов фронта пламени:
      (а) исходные видеокадры для диффузора с углом раскрытия 25ˆ
      (слева: 25% H2, справа: 50% H2 в топливе);
      (б) слева: исходное изображение фронта пламени;
      справа: извлеченные контуры (линии) и угловые точки фронта;
      более крупной синей точкой обозначена лидирующая точка фронта

    • Наложение фронтов пламени для разных моментов времени
      в расходящемся канале с углом раскрытия 25ˆ;
      стехиометрическая смесь 75% метан/25% водород+воздух

    • Экспериментальные функции плотности распределения ячеек
      на фронте пламени по размерам и их аппроксимация гамма-распределением;
      стехиометрические смеси водород-метан-воздух;
      содержание водорода в топливе: (a) 25%; (б) 50%
    1. Alexeev M.M., Semenov O.Yu., Yakush S.E. Experimental Study on Cellular Premixed Propane Flames in a Narrow Gap between Parallel Plates // Combustion Science and Technology. 2019. V. 191. No. 7, P. 1256-1275. DOI: 10.1080/00102202.2018.1521394
    2. Yakush S.E., Semenov O.Yu., Alexeev M.M. Premixed propane-air flame propagation in a narrow channel with obstacles // Energies. 2023. V. 16. No. 3. Paper 1516. DOI: 10.3390/en16031516
    3. Yakush S., Rashkovskiy S., Alexeev M., Semenov O. Features of Hydrogen-Enriched Methane–Air Flames Propagating in Hele-Shaw Channels // Energies. 2025. V. 18. No. 2. Paper 335. DOI: 10.3390/en18020335
    4. Alexeev M.M., Semenov O.Yu., Rashkovskiy S.A., Yakush S.E. Stoichiometric Methane-Air Flame Propagation in a Diverging Hele-Shaw Channel // Combustion Science and Technology. 2025. DOI: 10.1080/00102202.2024.2440751
  6. Разработка и развитие методов математической физики

    Важным направлением исследований лаборатории является разработка и развитие методов математической физики для сложных систем в различных областях теоретической физики, механики, теории управления и биологии, где нередко приходится использовать дифференциальные уравнения, обладающие необычными свойствами. К осложняющим факторам относятся наличие запаздывания в рассматриваемых системах, что часто приводит к сужению области устойчивости решений, или сильная нелинейность процессов, когда не только свойства, но и тип уравнений, может качественно меняться на различных классах решений. Разработан новый метод построения решений с функциональным разделением переменных в неявном виде. Сформулирован принцип структурной аналогии решений, позволяющий получать точные решения сложных нелинейных уравнений с помощью решений более простых уравнений в частных производных. Этот принцип позволил найти много новых решений с обобщенным и функциональным разделением переменных реакционно-диффузионных и волновых уравнений с постоянным и переменным запаздыванием.

    Под редакцией доктора физ.-мат. наук А. Д. Полянина создан веб-сайт «Мир математических уравнений» (eqworld.ipmnet.ru), работающий на русском и английском языках и содержащий обширную информацию по различным видам дифференциальных, интегральных, функциональных и других математических уравнений (включая уравнения тепло- и массопереноса, гидродинамики и нелинейной механики). По объему информации о конкретных математических уравнениях веб-сайт «Мир математических уравнений» не имеет российских аналогов и в несколько раз превосходит крупнейшие иностранные математические сайты.

    1. Polyanin A.D. Construction of exact solutions in implicit form for PDEs: New functional separable solutions of non-linear reaction-diffusion equations with variable coefficients, // International Journal of Non-Linear Mechanics. 2019. Vol. 111. P. 95-105. DOI: 10.1016/j.ijnonlinmec.2019.02.005
    2. Polyanin A.D., Zhurov A.I. Separation of variables in PDEs using nonlinear transformations: Applications to reaction-diffusion type equations, // Applied Mathematics Letters. 2020. Vol. 100. Paper 106055. DOI: 10.1016/j.aml.2019.106055
    3. Polyanin A.D., Sorokin V.G. A method for constructing exact solutions of nonlinear delay PDEs, // Journal of Mathematical Analysis and Applications. 2021. Vol. 494. Paper 124619. DOI: 10.1016/j.jmaa.2020.124619
    4. Polyanin A.D., Sorokin V.G. Nonlinear pantograph-type diffusion PDEs: Exact solutions and the principle of analogy, // Mathematics. 2021. Vol. 9. No. 5. Paper 511. DOI: 10.3390/math9050511
    5. Polyanin A.D., Sorokin V.G., Zhurov A.I. Delay Ordinary and Partial Differential Equations, CRC Press, Boca Raton–London, 2023. DOI: 10.1201/9781003042310

Из истории лаборатории

Термогазодинамическая лаборатория создана в 1969 г. доктором физ.-мат. наук, профессором В.Б. Либровичем, а с 1987 года преобразована в лабораторию Термогазодинамики под руководством доктора физ.-мат. наук, профессора Г.М. Махвиладзе. С 1994 по 2015 г. лабораторию возглавлял доктор физ.-мат. наук В.М. Гремячкин. С 2003 г. лаборатория носит название Термогазодинамики и горения, в 2015–2023 гг. ее возглавлял доктор физ.-мат. наук С.Е. Якуш. В настоящее время лабораторией руководит доктор физ.-мат. наук С.А. Рашковский.

Основные направления работы лаборатории включают экспериментальное, численное и аналитическое изучение многофазных течений, сопровождающихся связанными тепловыми и гидродинамическими процессами, фазовыми переходами, с возможным протеканием химических реакций горения. Получены важные результаты в области моделирования взрывных явлений при быстрых фазовых переходах (физические взрывы, паровой взрыв), горения газов, твердых и легкоплавких топлив в каналах различной формы, горения дисперсных топлив в потоках газа, течений неравновесной плазмы и ее взаимодействия с каталитическими поверхностями. Проводятся исследования по разработке и развитию методов математической физики для сложных систем, встречающихся в механике, биологии, физике, теории управления.


  • Вадим Брониславович Либрович
    (1936–1987)
    зав. лаб. 1969–1987

  • Георгий Михайлович Махвиладзе
    (1941–2017)
    зав. лаб. 1987–1993

  • Виктор Михайлович Гремячкин
    (1944–2015)
    зав. лаб. 1994–2015

  • Сергей Евгеньевич Якуш
    зав. лаб. 2015–2023
    директор Института 2018–н.в.

  • Сергей Александрович Рашковский
    зав. лаб. 2023–н.в.

  • Андрей Дмитриевич Полянин
    д.-ф.-м.н., профессор,
    главный научный сотрудник

  • Никита Сергеевич Сиваков
    младший научный сотрудник

  • Владислав Александрович Усанов
    младший научный сотрудник

  • Вячеслав Александрович Дудкин
    (фото 2002 г.)

  • Виктор Михайлович Гремячкин
    у экспериментальной установки
    (фото 2002 г.)

  • Сотрудники Лаборатории термогазодинамики
    и горения: В.А. Фрост, В.М. Гремячкин,
    А.Д. Полянин, В.Б. Рухин, С.Е. Якуш,
    С.А. Рашковский (фото 2010 г.)

  • Сотрудники лаборатории: В.А. Усанов, С.Е. Якуш,
    Н.С. Сиваков, С.А. Рашковский (фото 2025 г.)

Информация на февраль 2025 г.