В новую версию стандарта и библиотеки стандартных шаблонов (STL, Standard Template Library) языка программирования C++, вышедшую в конце 2023 г., включены новые алгоритмы и структуры данных. В статье описана работа с этими новыми возможностями: многомерными массивами (std::mdspan) и функциями библиотеки линейной алгебры (std::linalg). С их помощью открываются новые возможности ускорения численных схем для научных расчетов, в том числе для моделирования задач горения на персональных компьютерах и высокопроизводительных кластерах. Показано, что внедрение новых функций позволяет существенно сократить затраты на проектирование, написание и отладку кода, который может быть объектно-ориентированным и допускает повторное использование на разных архитектурах. При этом производительность вычислений остается на прежнем низком уровне процедурных подходов к программированию в стиле языка C. В качестве примера применения указанных возможностей приведены результаты расчета зажигания прямого угла поверхностью постоянной температуры.

Проведены численные эксперименты по производительности численных схем для моделиро- вания воспламенения и пульсирующего горения на персональном компьютере с использованием новых возможностей языка программирования C++. В качестве модельной рассматривалась задача иниции- рования горения в конденсированном веществе, где возможны пульсирующие и хаотические режимы. Описано влияние различных компонентов, входящих в современный стандарт языка C++ и библиотеку стандартных шаблонов (standard template library, STL) языка C++, таких как стандартные контейнеры и ал- горитмы в однопоточной и параллельной, многопоточной реализации. Предложены варианты ускорения расчетов посредством выбора алгоритмов параллельной обработки и аппроксимаций экспоненциального члена в уравнениях горения. Показано, что на производительность численной схемы существенно влияет аппаратное кэширование, что, в свою очередь, также должно учитываться при выборе алгоритма.

Numerical simulation of thermal conversion of gaseous products of polypropylene pyrolysis is performed at atmospheric pressure in the temperature range of 700 to 1200 K. The initial mixture compositions are taken from experimental data presented in the literature. Results computed by using several detailed kinetic mechanisms (DKMs) provide qualitatively similar descriptions of thermal conversion but differ significantly in terms of duration of the main stage of the process. As the temperature of the gaseous products of polypropylene pyrolysis increases, production of methane, hydrogen, and C6+ aromatics is observed concurrently with decrease in the concentrations of the C2+ components of the initial mixture. Thermal conversion is found to proceed exothermically, with lower heat release at higher initial temperatures due to an increasing role of the endothermic dissociation of C3H6. The secondary products of thermal conversion predicted by different DKMs differ by concentrations of C6+ aromatics. The accuracy of simulation is supposed to be improved by including C4+ hydrocarbons in the DKM.

The combustion of homogeneous energetic materials such as ballistic powders and explosives usually begins with the formation of a hot spot. This paper studies the conditions for an occurrence of a hot spot in case of heating by a hot surface with constant temperature. It is shown that the hot spot is formed at a certain depth under the surface, and the specific location of the hot spot depends on the geometry of the surface. Dimensionless criteria are reported for the estimation of this depth and prediction of the precise location of the hot spot. Some limit cases are studied and the function of the ignition time of a rough surface with protrusion of different heights and angles are found for several geometries of the surface.

Thermal conversion (TC) of polypropylene pyrolysis gaseous products was studied numerically using three detailed kinetic mechanisms (DKMs) for the initial temperatures T0 ranging from 700 K to 1300 K and the initial pressure of 1 atm. Numerical simulations showed that all DKMs predicted similar qualitative behavior of the reacting mixture, however, they gave significantly different rates of the increase of the mole fractions of CH4 and H2 along with simultaneous decrease in C2+ hydrocarbons. The temperature increase in course of TC process was also found to be predicted differently by the three DKMs. Its characteristics depended on the initial temperature, some calculations showed smooth increase while in others explosionlike regimes were observed. The conversion products, along with methane and hydrogen, contained aromatic compounds C6+. Various DKMs gave significantly different TC characteristic times.

На основе доступных экспериментальных данных по пиролизу полипропилена (ПП) и авто-мобильных шин (АШ) проведено численное моделирование конверсии их прямых газофазных продуктов до углеводородов С5 включительно. Расчеты проводились в условиях постоянного начального атмосферного давления в диапазоне температур от 600 до 900 K. Численное моделирование кинетики процесса показало, что различные детальные кинетические механизмы (ДКМ) схожим образом описывают качественные особенности конверсии продуктов пиролиза ПП и АШ. Однако в расчетах обнаружено, что изменение температуры, при которой происходит конверсия, существенно отличается при расчетах по разным ДКМ. Установлено, что при конверсии продуктов пиролиза ПП и АШ увеличивается доля метана и молекулярного водорода, при этом основным источником молекулярного водородаявляется конверсия углеводородов С4 и С5. С повышением начальной температуры конверсия продуктов пиролиза ПП происходит плавным образом, в то время как при пиролизе АШ она протекает с заметным периодом индукции и последующим резким, взрывообразным ростом температуры.

Проведено исследование особенностей горения на воздухе цилиндрических образцов из порошка магния насыпной плотности с различными добавками - безводной сернокислой медью, оксидом железа и кристаллогидратами CuSO4 * 5H2O, FeSO4 * I0H2O и Na2В4O7 * I0H2O. Показано, что введение в состав порошка магния добавки в количестве более 2%(вес.) приводит к режиму горения образца при характерной температуре ~ 1100 ◦С. Степень превращения магния в остатке после сгорания в этом режиме близка к 100%. Конкретный состав добавки и ее количество существенно не влияют на характер временной зависимости температуры образца при его горении. Остаток после сгорания образцов в воздухе состоит из смеси оксида и нитрида магния. Соотношение между массой исходного образца и массой остатка после его сгорания позволяет оценить состав остатка. Полученные результаты объясняются появлением в зоне прогрева при распространении пламени по образцу горячих очагов, вызванных реакцией добавки с магнием, дополнительным разогревом этими очагами образца и выходом режима горения на плато с температурой ~ 1100 ◦С, соответствующей температуре кипения магния в частицах исходного порошка. Испарение магния в этом режиме стабилизирует процесс его горения.

Combustion modes with a subsurface maximum temperature may occur in the burning of homogeneous energetic materials, such as solid propellants and explosives. In this paper, we analyzed the stability of a stationary combustion wave with a temperature maximum in the condensed phase. We showed that the boundary of stability corresponds to the merging of a stable and unstable solution while the combustion waves with a subsurface temperature maximum can be unsteady only. A dimensionless criterion of the transition to a pulsating mode, which is equal to the ratio of two times: the time of the adiabatic thermal explosion of the subsurface reactive layer and the time of substance depletion due to the combustion front motion, is given. The possible role of a thermal explosion of hotspots in the heated layer during the transition to a hotspot-pulsating combustion mode is discussed.

The problem of the effect of the geometry of a sample on the critical conditions for thermal explosion in an arbitrarily shaped solid with a constant surface temperature has been studied. The geometrical factors affecting the location of the hot spot and the critical conditions have been analyzed. It has been shown that the location of the hot spot is related to the dimension of the problem and can be quite accurately determined for a body with any shape. The concept of an equivalent ellipse or ellipsoid, which provides a higher accuracy than the concept of an equivalent sphere used in engineering calculations, has been introduced. Expressions for the critical conditions of a thermal explosion of two- and three-dimensional solids of an ellipsoidal shape and some other configurations have been derived to illustrate the application of the proposed approach.

A mathematical model of the propagation of the front of decomposition of active fire-retardant intumescent paints in pulsed mode is developed. A hypothesis explaining the mechanism of the experimen-tally observed pulsed modes of decomposition front propagation by the existence of an exothermic step in the decomposition reaction, leading to the self-acceleration of the reaction and rapid burnout of the reacting substance layer, is suggested. A theory of the propagation of the decomposition front in the pulsed mode based on a minimum number of empirical parameters obtainable from experiment is developed. Based on numerical simulation results, formulas are derived for predicting the time history of the thickness of the char structure and the time during which the fire-retardant composition can protect the object from fire. These formulas can be used to calculate the desired thickness of the fire-retardant coating that would withstand a fire or a thermal agent of given intensity for a desired time.

Intensive recent progress in computer technologies has stimulated new solutions for transmission of audio and video information in digital form, The transmission of digital video and audio signals through channels of restricted capacity, such as switched public telephone lines, mobile radio systems, local computer networks, Internet and satellite telecommunications attract a constantly growing interest. The bit rate in such lines available for transmission of audio and video information is limited dependent upon particular application in the range from 30 to 512 Kbit/s. In spite of the low bit rate digital coding itself requires significant computational resources and implies severe limitations on the performance of the real-time encoder. It should be also taken into account that for channels with low bit rate a codec must implement compression algorithms allowing us to achieve a large compression ratio and acceptable quality. Necessary compression ratios can be achieved only by means of intraframe coding as well as interframe motion compensation.

Fire safety of plastics is commonly characterized in terms of Oxygen Index (OI), or the limit oxygen concentration in oxidizing atmosphere that supports combustion. OI is determined in normal conditions (atmospheric pressure, room temperature, etc.) according to the procedure prescribing the ambient conditions, number of samples, their dimensions. However, polymer materials and products where they are used meet the variety of ambient conditions; low and high temperatures, pressures, flow velocities, accelerations, and etc. The methods of prediction of polymer flammability and OI in the wide range of operating conditions have not been available until now. In this study, a mathematical model is worked out and the theory of limits of polymer combustion is developed to predict OI and other critical values in non-standard conditions; pressure 0.1–100 atm; initial temperature of polymer 250–550 K; gravity force acceleration 0.1–50 g; velocity of oxidizing O 2 /N 2 stream 0–50 m/sec; different thickness of polymer layers covering the cold base and their simultaneous action. The model involves two-dimensional numerical simulation of the diffusion combustion of a polymer in the presence of heat losses. The main factor to be taken into account is the decrease of flame temperature due to the cooling effect of different agents. Therefore, the extinction criterion and OI are expressed in terms of the relationship between Damköhler and Peclet numbers. Two critical conditions, observed earlier in the experiments on polymer extinction limits, are explained. The predictions of the model were tested for PMMA and were found to be in good agreement with experimental data available.