Автореферат (786510), страница 3

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

В частности, для капель воды диаметром1 мкм обнаружено увеличение длины воспламенения в 100 раз при изменениисодержания капель в смеси на 0.4% (рис. 4).Было проведено исследование влияния капель воды на параметрыдетонации Чепмена-Жуге. С увеличением массовой доли капель наблюдаетсяснижение скорости детонации Чепмена-Жуге и температуры смеси.Аналогичная тенденция наблюдается и при уменьшении диаметра капель прификсированной массовой доле. Обнаружено, что для диаметров капель менее50 мкм существует предельная массовая доля капель, начиная с которой,решение рассматриваемой системы существует при всех рассмотренныхрежимах, и детонация Чепмена-Жуге отсутствует. Также необходимо отметить,что скорость детонации Чепмена-Жуге и температура смеси при наличиикапель выше чем, рассчитанная в идеальной постановке с полным испарениемкапель (рис. 5).112400300022002500T, K1800123D, м/с; T, K20004160014001200820001341500279100010008001e-005 0.00015100.0010.010.1110,мРис.

4. Смена режимов воспламенения.1ЗависимостьтемпературывволнеЧепмена-Жуге от продольной координатыпри различных отношениях массы капельк массе топлива (1 – 0.230; 2 – 0.239; 3 –0.240; 4 – 0.250). Диаметр капель воды – 1мкм5006012345mH 2O / mТРис. 5. Зависимость скорости детонацииЧепмена-Жуге (1-4,9) 1 и температуры (58,10) от отношения массы капель к массетоплива при различных диаметрах капель(100 мкм – 1,5; 50 мкм – 2,6; 10 мкм – 3, 7; 1мкм - 4,8). Линии 9 и 10 соответствуютидеальному расчетуВ разделе 3.1.3 исследовалось влияние капель воды на параметрыдетонации и дефлаграции метано-воздушных горючих смесей. Рассматриваласьстехиометрическая метано-воздушная горючая смесь с добавлением капельводы в предположении, что капли воды полностью испарились, и достигнутосостояниетермодинамическогоравновесия.Продуктысгораниямоделировались двенадцатью компонентами: CO, CO2, CH3, CH4, HCO, H2, OH,H2O, O2, N2, H, O.

Изучалось влияние m H 2O / mТ на значения параметров в точкахЧепмена-Жуге детонации и дефлаграции. При изменении от 0 до 1 температурапродуктов сгорания в состоянии Чепмена-Жуге изменялась от 2800 К до 600 Кпри детонации (кривая 2 рис. 6) и от 2000 К до 500 К при дефлаграции. В составпродуктов сгорания в основном входили азот, вода и углекислый газ, приmH 2O / mТ  0.2 в заметных концентрациях присутствовали кислород, угарныйгаз, водород и радикал OH.

Необходимо отметить слабую зависимость отm H 2O / mТ давления и наличие точки минимума на графике скорости приmH 2O / mТ  0.4 при дефлаграции (рис. 7).Были проведены расчеты детонации стехиометрической метановоздушной горючей смеси с добавлением капель воды в многофазнойнеравновесной постановке при стандартных условиях (p = 1 атм, T=298.15 К).В расчетах использовался упрощенный механизм горения стехиометрическойсмеси метана и воздуха, включающий 18 обратимых стадий. Варьировалисьмассовая доля капель воды и начальный диаметр капель. В случае, когдатемпература за ударной волной (рис.

8) превышает температурусамовоспламенения горючей смеси, начинают конкурировать два процесса:химические реакции, в результате которых происходит выделение тепла, ииспарение капель воды, приводящее к поглощению тепла. Если теплавыделяется больше, чем поглощается, то вблизи ударной волны происходитвоспламенение горючей смеси (кривые 1-3). После воспламенения припереходе системы к равновесному состоянию тепловыделение уменьшается, и12из-за испарения температура смеси уменьшается по сравнению со случаемвоспламенения чисто газовой горючей смеси (кривая 0). Кривая 4 соответствуетслучаю, когда потери тепла за счет испарения вблизи ударной волныпревосходят приток тепла за счет химических реакций. В этом случаетемпература смеси снижается.

Если уровень температуры после полногоиспарения капель превышает температуру самовоспламенения смеси, товоспламенение и полное сгорание смеси происходит (кривая 4).Рис. 6. Зависимость параметров теченияв точке Чепмена-Жуге от отношениямасс воды и газовой смеси (1 - СкоростьДВ Чепмена-Жуге, 2 - температура, 3 давление (*0.001), 4 - скорость потока, 5 равновесная скорость звука, 6 замороженная скорость звука)D, м/с; T, K; p*10-3 Па;U, м/c; a, м/c30002500200023150016510004500000.10.20.30.40.50.60.70.80.9D*102, м/с; T, K; p*10-1Па;U, м/c; a, м/cmH 2O / mТРис. 7.

Зависимость параметров теченияв точке Чепмена-Жуге дефлаграции ототношения масс воды и газовой смеси (1- начальная скорость потока ЧепменаЖуге (*100), 2 - температура, 3 давление (*0.1), 4 - скорость потока, 5 равновесная скорость звука, 6 –замороженная скорость звука)700060001500034000300020002100064,5000.10.20.30.40.50.60.70.80.91mH 2O / mТНеобходимо отметить, что в приведенном на рисунке случае,воспламенение наблюдается на расстоянии 2000 м от ударной волны, что креальности, конечно, отношения не имеет, но в тоже время свидетельствует оработоспособности применяемых алгоритмов.350030003030001725002200031500852000150064100010005000.0001 0.00121T, KT, K250040.010.161101005000.050.10.150.20.250.30.350.41000 10000,мРис.

8. Зависимость температурыпродуктов сгорания в волне ЧепменаЖуге от продольной координаты приразличных отношениях массы капель кмассе топлива (0 – 0; 1 – 0.1; 2 – 0.2; 3 –0.3, 4 – 0.4), d s  50 мкмV , м3 / кгРис. 9. V-T диаграмма (вода/топливо=0.4). 1ударная адиабата; 2 –детонационная адиабата;3 – детонационная адиабата, соответствующаяотсутствию капель воды; 4 – D = 1436 м/с –минимальнаяскоростьприкоторойсуществует решение ( d s  50 мкм ); 5 - D=1600 м/с, d s  50 мкм ; 6 – D= 1600 м/с,d s  10 мкм ; 7 - D=1800м/с, d s  50 мкм ,8D=1800м/с, d s =10мкм13Рассмотрим поведение системы на фазовой плоскости V-T на примерерасчета, выполненного для капель диаметром 10 и 50 мкм и mH 2O / mТ  0.4 (рис.9).

Состоянию Чепмена-Жуге соответствует кривая 4, зависимоститемпературы газа как функции расстояния от ударной волны приведены на рис.8, кривая 4. Первый сценарий. Фазовая траектория начинается на ударнойадиабате, кривая 1 рис. 9, наблюдается рост плотности смеси, которыйсопровождается небольшим ростом, а затем существенным падениемтемпературы; далее процесс идет с уменьшением плотности и ростомтемпературы, который заканчивается в точке на равновесной детонационнойадиабате (кривая 2). Кривая 5 соответствует случаю пересжатой детонации(D=1600 м/c), при этом поведение фазовой траектории существенно отличаетсяот описанного выше.

Второй сценарий. Сначала температура заметновозрастает практически при неизменном объеме, затем плотность уменьшается,а температура продолжает возрастать и приближается к температуре наравновесной детонационной адиабате горючей смеси при отсутствии капель(кривая 3); далее, из-за испарения капель плотность смеси растет, а температурауменьшается. Необходимо отметить, что для частиц диаметром 10 мкм прискорости детонационной волны 1600 м/с фазовая траектория соответствуетпервому сценарию развития событий. При скорости детонационной волны 1800м/c и для частиц размером 10 мкм и для 50 мкм фазовые траекториисоответствуют второму сценарию. В целом, второй сценарий измененияпараметров можно интерпретировать как детонационную волну, первыйсценарий - как срыв детонации, а промежуточные режимы - как возможностьдля развития галопирующей детонации.В разделе 3.2 приводятся результаты моделирования детонации вгазокапельной смеси метанола с воздухом.

Для моделирования химическихпревращений использовалось 56 обратимых реакций. Варьировалисьначальный диаметр капель метанола в диапазоне от 5 до 50 мкм и отношениемассы капель к массе воздуха от 5 до 50%.Минимальная скорость ДВ в газокапельной среде вплоть до массовыхдолей жидкой фазы M l / M V  0.3 практически совпадает со скоростьюдетонации Чепмена-Жуге, определенной в результате равновесного расчета(рис.

10а). В рассмотренном случае с испарением капель воды указанныескорости отличались уже при M l / M V  0.02 . При M l / M V  0.3 кинетикаиспарения и механизм химических превращений оказывают существенноевлияние на минимальную скорость ДВ и она начинает превышать равновеснуюскорость детонации.Цифрой 1 помечены графики с недостаточным количеством горючегоM l / M V  0.05 ; процесс воспламенения начинается после полного испарениякапель (рис. 10б, 10г), при этом в процессе испарения температура падает до900 К (рис 10б); расстояние от ударной волны, на котором происходитвоспламенение, равно 140 см (рис.

10б); скорость газа в волне воспламененияпадает (рис. 10в), температура после воспламенения изменяется слабо иостается на уровне 1550 К. При M l / M V  0.1 точки воспламенения горючей14смеси и полного испарения капель горючего практически совпадают. Наиболееинтенсивному испарению капель соответствует участок снижения температурыгазовой фазы, предшествующий воспламенению (рис. 10б). ПриM l / M V  0.3  0.4 , воспламенение горючей смеси происходит тогда, когда каплигорючего еще полностью не испарились (рис. 10б, 10г), кислород,содержащийся в газовой фазе, при этом полностью расходуется, так каксоотношение горючее-окислитель выше стехиометрического. Соответственно,после роста температуры в волне воспламенения следует ее спад, связанный сиспарением капель в среду, где уже нет молекул окислителя (рис.

10б).(a)(б)(в)(г)Рис. 10. Параметры детонации Чепмена-Жуге в смеси 0.79 N 2  0.21O2 + капли метанола( CH 3OH ) диаметром 10 мкм; (a) – скорость детонации Чепмена- Жуге (газофазная) – кривая1, минимальная скорость ДВ (газокапельная смесь) – кривая 2, максимальная достигаемаятемпература – 2, в зависимости от отношения массы капель к массе воздуха; (б)распределение температуры, (в) – скорость газа- сплошная кривая и капель - пунктирная, (г)– масса капли;1- M l / M V  0.05 , 2 - M l / M V  0.1 , 3 - M l / M V  0.3 , 4 - M l / M V  0.5Рассмотрим поведение решения на фазовой плоскости V-T.

Характеристики

Список файлов диссертации