Неуловимое пламя: почему так сложно моделировать горение? Интервью с главным научным сотрудником ФИАН В.В. Губерновым

Рассмотрение физических явлений, происходящих при горении свечи, представляет собой самый широкий путь, которым можно подойти к изучению естествознания.
Майкл Фарадей

― Майкл Фарадей в своих знаменитых лекциях, посвященных горению свечи, говорил о том, что нет ни одного закона природы, который бы не был затронут в этом процессе. А в чем, на ваш взгляд, фундаментальная особенность горения?

― Я бы отметил междисциплинарность. О том, что процесс горения включает в себя множество явлений из области физики и химии, было известно еще во времена Фарадея, то есть в XIX в. Исследование горения уже тогда было междисциплинарным, хотя самого термина «междисциплинарность» еще не существовало. Сегодня, исследуя горение, мы имеем дело не только с различными разделами физики и химии, будь то газовая динамика, спектроскопия, лазерная физика, оптика и др., но и с квантовой химией, нелинейной динамикой и другими науками. Но вот чего точно не было во времена Фарадея, так это численного моделирования. Эти методы постоянно совершенствуются, становясь все более сложными и изощренными. Пожалуй, не будет преувеличением сказать, что численное моделирование ― одна из наиболее бурно развивающихся областей не только науки о горении, но и в целом современной науки.

― И одна из самых сложных задач?

― Каждая задача сложна по-своему, но здесь главная сложность заключается в том, что горение состоит из большого количества самых разнообразных физико-химических процессов: газодинамики, тепломассопереноса, химических превращений в ходе реакций и т.д. Примечательно, что при горении мы имеем дело в том числе и с наноструктурами. Казалось бы, при чем здесь нанофизика и наноструктуры? Но вспомните опять же Майкла Фарадея и его работу «История свечи». Образование сажи в богатых углеводородных пламенах идет как раз таки по пути формирования зародышей сажи в виде наноструктур! Когда люди поняли это и начали глубже исследовать процесс, то обнаружили, что, например, графено- и фуллереноподобные структуры и нанотрубки возникают на стадии образования прекурсоров (реагенты, приводящие к образованию целевого вещества. — Примеч. ред.) зародышей сажи. Затем появилась идея использовать это в производстве. В результате производство наночастиц путем синтеза в пламени стало очень востребованным на рынке. Поэтому я думаю, что такая особенность науки о горении, как междисциплинарность, будет и дальше приносить немало интересных прикладных результатов.

― А что насчет фундаментальных результатов? Остались ли какие-то нерешенные вопросы или наука о горении перешла в область технологий?

― Если говорить с точки зрения практики, горение ― это процесс, сопровождающий человечество на протяжении всей его истории. Наша цивилизация строилась вокруг использования горения в качестве источника энергии, источника для химического преобразования, производства. И даже сейчас, в эпоху цифрового мира, наша связь с таким фундаментальным явлением, как горение, никуда не делась. Многие не обращают внимания, но мы ежедневно в том или ином виде используем горение: тепло, электричество, транспорт…

― И наше дыхание.

― Да, многие любят эту аналогию, ведь мы вдыхаем кислород, а выдыхаем углекислый газ, получая энергию благодаря окислению, хотя, строго говоря, этот процесс — не горение.

В области изучения горения остается масса нерешенных проблем, и некоторые из них уже очень давно остро стоят на повестке дня, например переход горения в детонацию: о том, как именно происходит этот процесс, ученые спорят на протяжении десятилетий.

С термодинамической точки зрения процесс детонации более выгоден, чем горение, но из-за присущей ему внутренней неустойчивости детонация до сих пор не получила широкого применения на практике. Кроме того, активно развивается такая область, как химия горения: есть много вопросов о том, как протекают элементарные реакции между реагентами и как их наиболее правильно и эффективно моделировать. Не менее интересны газодинамика горения, горение в режимах с преобладанием диффузионного переноса, микрогорение и т.д., где тоже есть масса нерешенных проблем. Поэтому я думаю, что с точки зрения фундаментальной науки исследование горения будет оставаться важной задачей на протяжении многих десятилетий.

― Насколько сложно провести численное моделирование, учитывая, что горение состоит из большого количества процессов, протекающих с разной интенсивностью и на разных пространственно-временных масштабах?

― Численное моделирование горения ― одна из важнейших задач для нас. Если мы научимся детально и точно воспроизводить в численных расчетах характеристики пламени, это станет тем большим прорывом, которого давно ждут. Если инженер сможет напрямую в численном расчете получать характеристики разрабатываемого им устройства, это станет очень большим подспорьем. Можно ли это сделать? До какой-то степени ― да. Сложности, как вы правильно сказали, связаны с многомасштабностью и взаимосвязанностью различных процессов, а также проблемами их комплексного моделирования. Как пример ― газофазное горение, которым мы тоже занимаемся. Представьте, что разные масштабы и связанные с ними явления (межмолекулярные взаимодействия, масштабы тепловой толщины пламени (характерный масштаб длины, на котором температура пламени меняется существенным образом. ― Примеч. ред.), газодинамические масштабы течений и вихрей и т.д.) как бы накладываются и влияют друг на друга и нам важно уметь разделять их. Переходя от одного уровня модельного описания к другому, на определенном этапе мы сталкиваемся с газодинамикой — и начинается самое интересное. Здесь могут происходить хаотизация, турбулизация потока, возникновение малых (субмиллиметровых и миллиметровых) и больших (от единиц до десятков миллиметров) вихрей. И мы должны уметь посчитать все это! Следующий масштаб ― это уровень камеры сгорания, где речь идет о пространственных размерах в единицы и десятки сантиметров.

Таким образом, от масштаба нанометров мы приходим к метрам. Провести полное численное моделирование такого процесса сейчас не представляется возможным. Будет ли это возможно когда-либо ― тоже большой вопрос. Каждая из задач, которую необходимо решить для численного моделирования горения, включает массу переменных, и мы должны уметь посчитать их.

Дополнительную сложность создает тот факт, что явления, возникающие на том или ином физико-химическом масштабе, динамически связаны друг с другом. Поэтому при моделировании мы, как правило, вынуждены использовать определенные приближения и пытаться рассчитать что-то одно из списка явлений, которые я перечислил.

― На чем сосредоточены исследования вашей лаборатории?

― Мы в большей степени исследуем фундаментальные вопросы, связанные с процессами горения. Если вернуться к той линейке масштабов, о которой я говорил выше, то мы стараемся понять, как протекают элементарные реакции в пламени, выяснить их сопряженность с энерговыделением и переносом тепла и реагентов. Это так называемый масштаб тепловой толщины пламени, на котором мы фактически и работаем (а также на масштабах на порядок-другой больше, чем этот). При процессе горения возникает множество интермедиатов (промежуточных веществ с коротким временем жизни. ― Примеч. ред.), играющих роль «посредников», которые «разбирают» изначальные молекулы и «собирают» конечные. В итоге у нас получается достаточно значительное количество реагентов, каждый из которых может вступать в реакцию с другими. Таким образом, мы имеем большую таблицу элементарных реакций, которые нужно уметь описывать и моделировать. Количество промежуточных соединений и реакций может исчисляться десятками, сотнями и даже тысячами. Поэтому объем информации, которую необходимо собрать для того, чтобы описать их, колоссален. В своих исследованиях мы пытаемся придумать такие эксперименты, которые давали бы нам источник точной независимой информации, чтобы, используя его, мы могли описывать как элементарные реакции, так и процессы тепломассопереноса в пламени.

Каждый эксперимент, будь то наше исследование или работа коллег из других институтов, позволяет «подсветить» некий уголок научного поля, на котором мы все вместе работаем. Получение новых качественных данных имеет очень большое значение. И я поясню почему. Возьмем пример: ламинарная скорость пламени (примером ламинарного горения может служить пламя свечи в неподвижном воздухе. ― Примеч. ред.), абсолютно фундаментальная характеристика, важнейшая для проведения как научных, так и инженерных расчетов. Как вы думаете, с какой точностью мы можем измерить эту величину, например для таких топливно-воздушных смесей, как метан-воздух?

― Даже не знаю.

― 10–15% для стехиометрических пламен (пламен смесей окислителя и горючего, в которых окислителя ровно столько, сколько необходимо для полного окисления горючего. ― Примеч. ред.) и существенно больше для пламен, далеких от стехиометрии! Возможно, это сложно представить, но сегодня инженер, рассчитывая новое устройство, может полагаться лишь на такую точность. Поэтому каждый эксперимент, позволяющий измерить что-то с более высокой точностью, существенно продвигает нас вперед.

― А до какой точности в принципе можно дойти?

― Сложно сказать. Я думаю, что если мы сможем измерить какую-то характеристику процесса горения, например ту же ламинарную скорость, с погрешностью менее 5%, то это будет уже очень хорошо. Сложность состоит в том, что если даже мы ставим эксперимент с максимально простыми конфигурациями, скажем, используя плоскую горелку, то все равно возникает масса процессов, которые вмешиваются (например, влияние экспериментального оборудования) и делают картину неидеальной. В таком случае мы либо должны включить эти «неидеальности» в свои расчеты, что довольно сложно, либо, наоборот, попытаться исключить все «нехорошие» эффекты из эксперимента, что не просто сложно, а скорее всего вообще невозможно.

Мы стремимся минимизировать воздействия внешней среды и неидеальности экспериментальных стендов доступными нам способами: например, помещая горелки или реакторы в инертную атмосферу, постановкой эксперимента или прецизионным изготовлением экспериментальных стендов.

― Еще одна тема, которую невозможно обойти стороной, обсуждая горение, ― это энергетика. Как вы думаете, сможем ли мы в будущем отказаться от углеводородов и перейти, например, на водород ― единственное вещество, дающее при сгорании только воду?

― Это интересный вопрос. В нем, помимо науки и технологии, еще очень много политики и экономики. Я не претендую на истину в последней инстанции, но могу дать комментарий как человек, который давно занимается этими проблемами. Около 20–25 лет назад я очень увлекался идеями, связанными с водородной энергетикой. Когда я читал научные обзоры или планы различных организаций того времени, складывалось впечатление, что буквально через 20 лет мы будем жить в другом мире: кругом начнут использовать водород, мы будем ездить на экологически чистом транспорте, освоим новые способы электрогенерации и т.д. Но время прошло, а этого, как вы видите, так и не случилось. По крайне мере, в тех объемах, которые были запланированы.

Важно понимать, что водород сам по себе ― это не источник энергии, а ее носитель: вроде контейнера, в который можно поместить энергию, транспортировать куда-то и эффективно преобразовать. Для конечного потребителя все выглядит просто идеально: мы окисляем водород с помощью горения или электрохимическим способом и на выходе производим только чистую воду. Но за рамками остается весь предшествующий технологический процесс, который никак не назовешь чистым.

Если вы посмотрите на то, что происходит сейчас с производством водорода, то увидите, что оно, как правило, не обходится без тех же самых углеводородов, от которых все так хотят отказаться: угля и метана. Самый распространенный способ получения водорода — паровая конверсия метана (взаимодействие водяного пара и метана при высокой температуре в присутствии катализатора. — Примеч. ред.) — считается грязным и способствует выбросам углекислого газа в атмосферу.

— А получать водород более чистыми способами слишком дорого.

— Да, это существенно дороже, поэтому водород и производится главным образом из природного газа и угля, а мы, соответственно, и не видим массового перехода энергетики на водород.

Структура мировой энергетики крайне консервативна и не претерпела кардинальных изменений, если не считать все возрастающие спрос и мощности производства; доля различных видов зеленой энергетики и электрогенерации по-прежнему находится на уровне нескольких процентов.

На текущий момент самыми популярными источниками энергии по-прежнему остаются углеводороды, за ними — гидрогенерация и атомная энергия, и лишь потом — зеленые технологии. Думаю, что эта тенденция в ближайшем будущем не изменится кардинально, и хотя водород, безусловно, сможет занять свое место на мировом энергетическом рынке, он все равно скорее всего останется в числе нишевых продуктов.

— В вашей лаборатории проводятся исследования новых источников энергии или новых видов топлива?

— Да. Для нашей страны, имеющей богатые запасы углеводородов и лидирующей в мировом производстве водорода, большой интерес может представлять работа с топливными смесями, например, метана и водорода. Этот вид топлива, известный как гитан в русскоязычной или hythane в англоязычной литературе, мы сейчас исследуем в нашей лаборатории. Эта задача очень актуальна с точки зрения физики и химии горения. Когда мы дополнительно добавляем водород в какое-то углеводородное топливо (например, метан), это меняет всю химию процесса и открывает новые возможности.

Мы сосредоточились на исследованиях характеристик горения, особенностей протекания химических реакций, устойчивости и пределов горения подобных топливных смесей, влияния добавления того или иного количества водорода на эти параметры и характеристики, влияния условий повышенного давления и на других вопросах. Все эти процессы очень интересны как с фундаментальной, так и с прикладной точек зрения.

В перспективе гитан может быть использован в двигателях внутреннего сгорания, газовых турбинах, камерах сгорания энергетических установок разной мощности и применения. В отличие от чистого водорода смесь метана и водорода обладает более предпочтительными характеристиками с точки зрения пожаровзрывобезопасности и разрушающего влияния на материалы, например охрупчивания металлов. Это позволит использовать данные топливные смеси в существующей транспортной и энергетической инфраструктурах, а также уменьшить антропогенную нагрузку на окружающую среду.