Диссертация (Численное моделирование детонации газокапельных смесей в каналах), страница 15

(ДА - равновесная адиабата, УА - ударнаяадиабата)Необходимо отметить, что при больших массовых долях горючеготемпературы, рассчитанные по ”неравновесной” с обратимыми реакциями и“равновесной” моделям, сравниваются на крайне больших расстояниях отголовной ударной волны. Данный факт, по-видимому, является ограничительнымдля использования ”равновесной” модели.1094.4. Численное моделирование детонации керосина в воздухе в модельнойударной трубеРассчитывалось одномерное нестационарное течение газокапельной смесикеросина с воздухом, учитывались процесс испарения капель и газофазныехимические превращения (решалась система уравнений (2.1-2.4, 2.7-2.13, 2.152.25),дополненнаямоделямитермодинамики,химическойкинетикиисопротивления и тепломассообмена).

Численное моделирование проводилось сиспользованием оригинального сеточно-характеристического метода [215-218],расчетными узлами, при этом, являлись траектории газа и частиц, траекторияударной волны, контактного разрыва, характеристики, образующие веер волнразрежения, граничные траектории частиц и границы расчетной области. Приэтом ударные волны, контактные разрывы и граничные траектории частицмоделировались двумя подвижными узлами расчетной сетки, координата искорость движения которых были равны, а перепады параметров удовлетворялиусловиям динамической совместности.

Число расчетных узлов выбиралось изусловия сходимости результатов и составляло, в зависимости от начальныхданных, от 5 до 10 тыс узлов.Исследовалось течение в ударной трубе (рис. 4.12), заполненной воздухом,возникающее после распада разрыва на границе камер высокого (X < 1 м) инизкого давления. Капли керосина размещались при 2<X<9 м. После распадаразрыва образовывалась ударная волна, которая инициировала испарение капелькеросина и воспламенение горючей смеси.1100.0051230.00450.0040.00350.003t, с0.00250.0020.00150.0010.00050012345678910X, мРис. 4.12. Временная развертка течения в ударной трубе (крупный пунктир –характеристики, образующие веер волн разрежения; пунктир – контактныйразрыв; штрих-пунктир – границы области распространения капель керосина;сплошная линия – траектория головной ударной волны при различных значенияхотношения массы капель к массе воздуха (1 – 0.06, 2 – 0.08, 3 – 0.1)Временная развертка течения (рис.

4.12) приведена схематично иобъединяет на одном рисунке три варианта расчета течений при различныхзначениях отношения массы капель к массе воздуха. Во всех трех расчетахтраектории характеристик, образующих веер волн разрежения, контактныйразрыв и граничная траектория частиц практически сливаются, существенноотличаются только траектории головной ударной волны (с точки излома награфике – детонационной).Скорость ударной волны (рис. 4.13) после входа в двухфазную область вначале несколько падает, затем капли испаряются, начинаются экзотермическиехимические реакции (температура за ударной волной после распада разрывасоставляетоколосамовоспламенения1000Кгорючей(рис.4.14),смеси),чтопревышаетобразуетсяволнатемпературугорения,111сопровождающаяся ростом давления, которая распространяется вслед за ударнойволной.

В момент времени около 1.4 мс, образовавшаяся перед фронтом горения,ударная волна догоняет головную ударную волну (рис. 4.13), что приводит крезкому увеличению ее скорости и к образованию детонационной волны. Кмоменту времени около 3 мс детонационная волна выходит на режимраспространения близкий к стационарному.220021002000319002D,м/с1800117001600150014001300120000.0005 0.001 0.0015 0.002 0.0025 0.003 0.0035 0.004 0.0045 0.005t, сРис. 4.13 Зависимость скорости ударной волны от времени при различныхзначениях отношения массы капель к массе воздуха (1 – 0.06, 2 – 0.08, 3 – 0.1).Диаметр капель керосина – 40 мкм.11235003000T, К2500200015001000500012.42.52.62.722.82.9333.143.23.3t, сРис.

4.14. Распределение температуры в различные моменты времени (1 –1.41 мс, 2 –1.53 мс, 3 –1.63 мс, 4 –1.70 мс). Отношение масы капель к массевоздуха– 0.1.Необходимо отметить, что расчетным путем получена картина течения сдвумя очагами воспламенения, качественно совпадающая с наблюдаемой вэкспериментах.

После ускорения головной ударной волны температура за нейсущественновыросла,чтопривелоквоспламенениюгорючейсмесинепосредственно за ударной волной (рис. 4.14, кривые 1-3). При дальнейшемраспространении детонационной волны очаги воспламенения слились, образовавнепрерывную область “сгоревшего” газа (рис. 4.14, кривая 4).4.5 Выводы к Главе 4Разработаны физико-математическая модель, вычислительные алгоритмы икомплекс программ для моделирования инициирования и распространениядетонационной волны в канале по газокапельной горючей смеси.113Разработана и оттестирована самосогласованная методика восстановлениянепротиворечивой системы теплофизических свойств тяжелого углеводородногогорючего в жидком и газообразном состояниях.Рассчитаныравновесныеадиабатыпродуктовсгораниякеросино-воздушных горючих смесей при различных отношениях начальных масс керосинаи воздуха ( 0.05 M K / M Air 0.4 ).Проведено численное моделирование стационарных волн горения идетонации в стандартных условиях при отношении начальных масс керосина ивоздуха в диапазоне от 0.01 до 1.

Расчетным путем получена структурастационарных волн горения и детонации, включающая нагрев и испарениечастиц, воспламенение и соответствующее изменение температуры и составапродуктов сгорания.Исследовано влияние массовойдоликеросина наминимальную скорость стационарной детонации и максимальную скорость газапри которой существует стационарная волна горения.Показано, что использование модели горения с необратимыми реакциямиможет приводить к завышенным температурам продуктов сгорания, а также кзависимости конечной температуры от диаметра капель при неизменной массовойдоле горючего.Расчетным путем получено, что параметры стационарных волн горения идетонации асимптотически стремятся к равновесным значениям – точке наравновесной адиабате.Проведено численное моделирование детонации газокапельной керосиновоздушной горючей смеси в модельной ударной трубе при различныхсоотношениях горючее-окислитель.

Расчетным путем получена временнаяразвертка процесса, включающая: взаимодействие падающей ударной волны скеросино-воздушной газокапельной горючей смесью; нагрев горючей смеси;испарение капель керосина с последующими экзотермическими газофазнымихимическими превращениями; образование волны сжатия; формирование ираспространение волны детонации; выход детонационной волны на режим,близкий к стационарному.114Расчетнымпутемобнаружено,наблюдаемоевисследованиях, двухочаговое воспламенение горючей смеси.экспериментальных115ЗаключениеВ диссертационной работе получены следующие основные результаты:1. Разработана уточненная замкнутая физико-математическая модель(включающаяподмодели:термодинамики,химическойкинетикиитепломассообмена) детонации и дефлаграции газокапельной смеси, состоящей измногокомпонентного газа и испаряющихся капель в каналах.2.

Разработаны эффективные алгоритмы решения дифференциальноалгебраической системы уравнений, включающей уравнения, описывающиезаконы сохранения массы, импульса, энергии, химических компонентов и числачастиц,атакжегазофазнуюхимическуюкинетику,сопротивлениеитепломассообмен.3. Рассчитаны равновесные адиабаты (детонационные и дефлаграционые)для смесей водород-кислород-вода, водород-воздух-вода, метан-воздух-вода,метанол-воздух, керосин-воздух.4. Проведено численное моделирование стационарной детонационнойволны в газокапельных смесях, состоящей из горючей смеси водорода и метана своздухом и капель распыленной воды.

Исследовано влияние массовой доли идиаметра капель на параметры волны детонации. Определены параметрыпересжатых детонационных волн и волн детонации Чепмена - Жуге.5. Проведено численное моделирование стационарной детонационнойволны в газокапельной смеси, состоящей из капель метанола и воздуха.Исследовано влияние массовой доли и диаметра капель на тонкую структурудетонационной волны.

Определены параметры детонации Чепмена-Жуге.6.Предложенспособвосстановлениятермодинамическихсвойствуглеводородных горючих сложного состава (в рамках модели однокомпонентнойкапли) для жидкой и газовой фазы. Получены соответствующие коэффициенты,входящие в температурную часть потенциалов Гиббса для бензина, керосина идизельного топлива.1167. Проведено численное моделирование стационарных волн дефлаграции идетонации керосино-воздушных газокапельных горючих смесей при различныхзначениях массовой доли горючего. Получены параметры волн детонации идефлаграции в режиме Чепмена-Жуге.8. Проведено численное моделирование детонации газокапельной керосиновоздушной горючей смеси в модельной ударной трубе при различныхсоотношениях горючее-окислитель.

Расчетным путем получена временнаяразвертка процесса, включающая: взаимодействие падающей ударной волны скеросино-воздушной газокапельной горючей смесью; нагрев горючей смеси;испарение капель керосина с последующими экзотермическими газофазнымихимическими превращениями; образование волны сжатия; формирование ираспространение волны детонации; выход детонационной волны на режим,близкий к стационарному.117Список литературы1.

Гидаспов В.Ю., Кузнецова С.В., Москаленко О.А., Чугунков С.А.Комплекс программ для решения модельных задач физической газовойдинамики //Тезисы докладов XV Международной конференции повычислительноймеханике исовременнымприкладнымпрограммнымсистемам (ВМСППС’2007), Алушта, 25-31 мая 2007 г. – М.: ЗАО«Издательское предприятие «Вузовская книга», 2007.