Диссертация (786512), страница 2
Текст из файла (страница 2)
1 представлен обзор литературы по теме диссертации.В гл. 2представлена физико-математическая модель газокапельныхтечений при наличии испарения и газофазных химических реакций, описаныиспользованные в работе численные методы и вычислительные алгоритмы.В гл.3 исследовано влияние капель воды на параметры и структурустационарной детонационной волны в горючих смесях: водород-кислород-аргон,водород-воздух, метан-воздух и детонация метаноло-воздушной газокапельнойгорючей смеси.В гл. 4 рассмотрена задача численного моделирования стационарных волнгорения и детонации и нестационарной детонационной волны в керосиновоздушной горючей смеси.В заключении сформулированы основные результаты диссертационнойработы.Апробация работыРезультаты диссертационной работы докладывались в период с 2006 по2014 гг. на научных семинарах по физической газовой динамике, руководителемкоторых был У.Г.Пирумов, а также на XV, XVIII и XIX Международныхконференциях по Вычислительной механике и современным прикладнымпрограммным системам (2007-2015 гг.); на VII, IX, X, XI Международныхконференциях по неравновесным процессам в соплах и струях (2008-2016 гг.); наII и VII Международных научно-практических конференциях Воскресенского7филиаланегосударственногообразовательногоучреждениявысшегопрофессионального образования «Российский Новый Университет» (2013 -2015г.г.).Личный вклад автораСоискатель принимал непосредственное участие в постановке задач,разработке вычислительных программ, проведении расчетов, их обработке ианализе, а также подготовке статей и докладов на конференциях.
Соискателемреализованы используемые численные методы решения задачи, проведенывычислительные эксперименты и выполнен анализ полученных расчетныхданных. Все положения диссертации, выносимые на защиту, полученысоискателем самостоятельно.ПубликацииОсновные результаты диссертации опубликованы в 15 работах, включая 3статьи [3,8,15], входящие в перечень ВАК, и в 12 тезисах докладов натематических конференциях[1,2,4-7,9-14].8Глава 1. Классические представления и обзор литературы«Во многих имеющих практическое значение устройствах, начиная отнефтяных печей и кончая ракетными двигателями‚ используется горение жидких(иногда твердых) частиц, взвешенных в газе» [16,стр.330].
«Газовзвеси илиаэровзвеси - смеси газа с твердыми частицами или жидкими каплями; иногдасмеси газа с жидкими каплями называют аэрозолями» [17, стр. 15]. Основнымнаправлениемисследованиятеченийгазовзвесейявляютсяпроцессыпроисходящие в них. К таким процессам относятся воспламенение, горение идетонация [18–25].Внастоящеевремясуществуетбольшоеколичестволитературы,посвященной исследованию различных гетерогенных сред в том числе игазовзвесей.
Так, например, ударные волны в газовзвесях рассмотрены в работах[17,26–28], горение и детонация –в работах [16–19, 26–27, 29–39]. Основы теориигорения газокапельных смесей были заложены в работах [16, 26, 40–45]. Вдальнейшем эта теория была рассмотрена в работах [46–59]. Химические реакции,протекающие в газовой фазе, играют важную роль при горении газовзвесей, таккак в большинстве случаев сгорание топлива происходит в газофазном режиме.Для описания горения веществ используются детальные кинетическиемеханизмы.
Они наиболее полно учитывают химические превращения в газовойфазе в широком диапазоне начальных и граничных условий. Такие детальныемеханизмы могут состоять из сотен веществ и тысяч элементарных стадий. Естькинетические механизмы для описания превращений в топливных смесях, где вкачестве горючего рассматриваются как простые вещества [60, 61], так и болеесложные [62–72]. Использование неэмпирических детальных кинетическихмеханизмов важно для полного и точного описания процессов, но приходитсярешать уравнения сохранения для каждого компонента. Поэтому химическиереакции часто аппроксимируют простейшими моделями, которые содержат9небольшое число частиц и процессов, и имеющими полуэмпирический илиэмпирическийхарактер.Внастоящеевремясоздаютсясокращенныекинетических механизмы [73,74] и при моделировании процесса горенияиспользуются«брутто-реакции»[75–78].Упрощенныесхемыописываютреагирующую систему при помощи небольшого числа компонентов.
Нонеобходимо помнить, что такие упрощенные механизмы дают надежныйрезультат только в определенных условиях [79]. В работе [80] отмечается, что «вИХФ РАН в течение ряда лет разрабатывались глобальные кинетическиемеханизмыгорения,использующиеэкспериментальныеданныепораспространению ламинарных пламен [81–84] и диффузионных пламен навстречных струях [85]. Эти механизмы оказались полезными при моделированиитурбулентного горения предварительно перемешанных [86] и неперемешанных[87] газов, а также самовоспламенения и горения капель и капельных газовзвесей[88–90].Получаемыеприихиспользованиирасчетныерезультатыудовлетворительно согласуются с опытными данными».Так, например, в статье [91] приведена процедура упрощения кинетическихмеханизмов, которая основывается на комбинации неэмпирических алгоритмовупрощения механизмов (DRG , CSP и анализа чувствительности (DSA)).
Такжебыло приведено сравнение механизмов, полученных при помощи разработаннойпроцедуры и механизмов, полученных методом экспертного анализа. Такмеханизм горения суррогата керосина был уменьшен с 71 вещества и 417 реакцийдо 47 веществ и 92 реакций. А механизм газификации углеводородов с 177веществ и 879 обратимых реакций до 83 веществ и 278 реакций.
В последнеевремя предложены методы уменьшения вычислительной сложности задач [92–94]. Например, берется детальный кинетический механизм и из него исключаютсянесущественные вещества и реакции в конкретных условиях. Когда дальнейшееупрощение невозможно, применяется другой подход, с помощью которогогенерируется глобальный механизм, состоящий из небольшого числа бруттореакций, скорости которых рассчитываются на основе элементарных реакций10[95]. Длякаждого метода упрощениясуществуютпараметры,которыеопределяют степень упрощения механизма [92, 96, 97].Также для расчетов необходимо знать термодинамические свойстваиндивидуальных компонентов. Они подробно описаны в работах [98–101].«Моделированиегазофазныхреагирующихтеченийоснованонаобщепринятой системе нестационарных связанных уравнений в частныхпроизводных, выражающих законы сохранения массы, импульса и энергии.
Этисвязанные уравнения описывают конвективное движение жидкости, химическиереакции между основными компонентами и процессы диффузионного переноса,такие, как теплопроводность, вязкость и диффузию»[18, стр.28]. Для решениясистем нестационарных, нелинейных, взаимосвязанных дифференциальныхуравнений в частных производных были разработаны несколько методов, такиекак «глобально-неявный метод, называемый также блочно-неявным методом, иметод дробных шагов, называемый также методом расщепления шага по времени.Другие общие методы расчета взаимодействий, такие, как метод прямых и методконечных элементов, также применяются в этом случае…. Эти подходы частокомбинируютсяв«гибридные»алгоритмы,вкоторыхразныеметодыиспользуются для расчета различных взаимодействий» [18, стр.155–156].Нестационарная теория самовоспламенения капли изучалась в работе А. Г.Мержанова [102].
Для замыкания моделей течений газокапельных смесейиспользуютсямодели,описывающиесопротивлениеитепломассообменодиночной капли в газовом потоке. Чаще всего используется простаяполуэмпирическая модель квазистационарного испарения однокомпонентнойкапли.[19,20,103-106].Основоположником теории испарения капель в газообразной среде былМаксвелл.Онрассмотрел простейшийслучайстационарного испарениясферической капли, неподвижной по отношению к газу. При соблюдениинекоторых условий испарение можно считать квазистационарным [104].
Вработах [107–113] рассматривается моделирование процесса испарения капель.11Теория квазистационарного диффузионного горения капли жидкого топливасоздана Г. А. Варшавским [66] и рассмотрена [16, 68]. Эта теория хорошоподтверждается опытами, но в некоторых случаях [114] процесс диффузионногогорения капли не может быть рассмотрен как квазистационарный [115–118].Дляописаниясопротивленияитепломассообменакаплисгазомнеобходимо знать коэффициенты переноса, то есть коэффициенты вязкости,теплопроводности газа и диффузии паров вещества капли в газе.
Для ихвычисления применяются формулы, с использованием параметров потенциаловЛеннарда-Джонса или Штокмайера [18,101,119].Существует два режима распространения волны горения в горючих газовыхсмесях: медленное горение (дефлаграция) и сверхзвуковая волна детонации.«Волна дефлаграции распространяется за счет диффузии тепла и (или) свободныхрадикалов из зоны реакции в свежую смесь перед фронтом, так что ее скоростьмного меньше скорости звука и давление практически постоянное.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
