Диссертация (786512), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Другой,сверхзвуковой, механизм распространения волны горения связан с ударнымиволнами. В волне детонации газ сжимается и нагревается сильной ведущейударной волной, поджигающей газовую смесь» [120, стр.772–773]. Исследования,проведенные в [121–125], процессов, протекающих при детонации в распылахжидкого топлива, свидетельствуют об их сложности. При этом основноевнимание авторов уделяется детонационной способности смесей различногосостава, условиям инициирования, распространения и продолжительностидетонационного процесса.
Данные исследований, проведенных в замкнутом(ограниченном) объеме в работах [126, 127], свидетельствуют о прямойзависимости процесса детонации от содержания паровой фазы топлива вдвухфазной смеси. Методы и результаты исследования детонационных волнрассматриваются в работах Солоухина [128]. Войцеховский [129] открылинтересное явление, которое называется спиновая детонация.
Далее это явлениебыло изучено в [130, 131]. Моделирование детонационной волны изучалось в[132–156].12Известно, что инициирование детонации в топливо-воздушных смесяхпроисходит как путем прямого инициирования импульсным источником энергиитак и переходом горения в детонацию.
При прямом инициировании в смесисоздаѐтся мощная ударная волна, которая вызывает химическую реакцию вударно-сжатой смеси. Выделяющаяся энергия в свою очередь подпитываетведущуюударнуюволну.Есливыделениеэнергииисточникабольшекритического значения, в смеси образуется детонационная волна, в противномслучае, детонация не возникает.
Спонтанное возникновение детонации в топливовоздушных смесях, как правило, происходит при переходе горения в детонацию.В исследованиях [157–166] изучались процессы перехода горения в детонацию(ПГД). В течении ряда последних лет, ПГД исследовался в многочисленныхработах, в том числе с применением численного моделирования [167–172].
Былоустановлено, что детонационная волна формируется между фронтом горения иведущей ударной волной.«Переход от горения к детонации представляет фундаментальный интерескак спонтанный переход между двумя стационарными решениями полнойсистемы уравненийгазовойдинамики.Выяснение физических поцессовопределяющих переход горения в детонацию (ПГД) важно как для пониманияспособов предотвращения детонации в связи с проблемой безопасности АЭС, дляхранения водорода и для водородных двигателей [173,174], так и инициированиядетонации для разработки импульсно - детонационных двигателей [175]…Несмотря на многолетние экспериментальные и теоретические исследования,физический механизм ПГД до сих пор неясен и рассматривается как одна изнаиболее важных нерешенных проблем в теории горения» [120, стр.
773].В исследованиях Я. Б. Зельдовича было впервые указано, что существуетмеханизм, инициирующий спонтанное возникновение детонации. Это такназываемый градиентный механизм, объясняющий переход горения в детонацию[176]. Какие процессы приводят к включению градиентного механизма и какобразуется градиент температуры до сих пор не изучено.
Источниками взрывных13процессов могут являться ряд неоднородностей, о чем свидетельствуют данныетеоретических исследований механизма инициирования детонации [177–180].Исследования характеристик взрывов в различных средах приведены в [181–184].Исследование воспламенения и горения паров углеводородных топлив ввоздухе представляет большой практический и фундаментальный интерес [185–Задержка194].воспламененияявляетсяважнейшимпараметром,характеризующим реакционную способность смеси.
Существует достаточнобольшоеколичествоэкспериментальныхработпоиспарениюисамовоспламенению капель углеводородных горючих [52,195–200]. Вопросыгорения топлив в современных двигательных установках рассмотрены в работах[201-203].Исследованию свойств керосина посвящены работы [204–211]. В работе[208] авторами предложена математическая модель, описывающая воспламенениеи горение пара керосина в воздухе, справедливая в области недостаткаокислителя:[0.7,1] . Используя разработанную физико-математическую модель,описана структура детонационной волны в стехиометрической смеси в режимахЧепмена - Жуге и пересжатом. В работе [206] показана возможностьиспользования модельного горючего при моделировании состава и параметровсостояния газа, образующегося в результате равновесного сгорания авиационногокеросина в воздухе.
Таким горючим может быть смесь равных количеств метана иацетилена. В работе [212] проанализирован процесс прогрева капель от начальнойтемпературы до равновесной температуры испарения. Определено время прогревакапли и проанализирована зависимость времени прогрева от температуры иразмеров капли жидкости. Получены формулы для вычисления скоростииспарения капель различных жидкостей.
В статье [168] показана возможностьперехода горения в детонацию в непрерывном потоке воздушной смеси частичнопредиспаренного авиационного керосина ТС-1 при атмосферном давлении.Кинетический механизм окисления парафиновых углеводородов до н-гексадеканаC16 H 34 был предложен в работе [213]. В настоящее время [214] создана база14данных для характеристик ламинарного горения смесей суррогата JP-8 (аналогаотечественного ТС-1) с воздухом в широком диапазоне изменения начальнойтемпературы, давления и состава смеси.Из сделанного обзора следует, что в настоящее время в связи с развитиемвычислительной техники и технологии крайне важны работы над созданиемзамкнутых комплексных физико-математических и вычислительных моделей,описывающих физико-химические процессы в газокапельных горючих средах отинициирования до завершения (установления равновесия), это и являетсяосновной задачей диссертационной работы.Примоделированиивысокоскоростногогорениянеобходимоориентироваться на фундаментальные свойства взрывчатых смесей, такие какнабор параметров течения, характеризующих состояния Чепмена-Жуге детонациии дефлаграции, которые являются функцией исключительно термодинамическихсвойств исходных компонент и продуктов их сгорания.Моделипроцессов(испарениеихимическаякинетика)должныобеспечивать в модельных задачах непрерывный переход системы в состояниеЧепмена-Жуге и количественно правильно описывать процесс перехода.Описания свойств веществ и физико-химических процессов должныобеспечивать непрерывный переход рассматриваемой системы в состояниетермодинамического равновесия, что автоматически обеспечит энергетическийбаланс в системе.Используемые вычислительные модели и алгоритмы должны обеспечиватьстрогое выполнение законов сохранения и начал термодинамики.15Глава 2.
Физико-математическая модель и численные методы2.1 Математическая модельВэнергетическихустановках,основурабочегопроцессакоторыхсоставляют газокапельные течения, протекают разнообразные физико-химическиепревращения. Химические компоненты газовой фазы и вещества, входящие всостав частиц, участвуют в химических реакциях, происходят обмен массой,тепловое и механическое взаимодействие частиц с газовой фазой, веществочастиц,приэтом,может испарятьсяиконденсироваться.В работерассматривается случай умеренно крупных частиц, т.е. таких, размеры которыхвелики по сравнению со средней длиной свободного пробега молекул в газовойфазе, при условии, что суммарный объем соответствующих частиц мал посравнению с объемом, занимаемым газом. Именно такие условия чаще всегореализуютсявиспользуемыхвпромышленноститехнологическихиэнергетических установках. В указанном случае процессы, происходящие вгазовойфазе,можнорассматриватьсиспользованиемзамыканиянагидродинамическом уровне.
При этом, в первом приближении, в выражениях длягидродинамических потоков вещества, импульса и энергии можно пренебречьслагаемыми, описывающими диффузию, вязкость и теплопроводность, иограничиться только слагаемыми, описывающими конвективный перенос.Вязкость, теплопроводность и диффузия могут, тем не менее, существенно влиятьна процессы, происходящие в непосредственной окрестности поверхности частиц,поэтому их необходимо учитывать в слагаемых, описывающих взаимодействиенесущей и дисперсной фаз друг с другом.При сделанных выше предположениях течение двухфазной смеси в каналахс пологими стенками можно рассматривать в рамках квазиодномерногоприближения.Уравнения,описывающиетечениемногокомпонентного16реагирующего газа в областях непрерывности течения, можно записать вследующем виде:FtuFttFtx( u2u2)F2(eiMF ;uFxxp) FxuFiu(eWi F ,(2.1)IFppF;xu2)F2(2.2)EF ;i 1,...,N .(2.3)(2.4)Здесь M , I , E - слагаемые, учитывающее массообмен, тепловое и механическоевзаимодействия газа с частицами,, p, e,iN- число газообразных компонентов в смеси,- плотность, давление, внутренняя энергия и мольно-массовыеконцентрации, F -площадь канала, Wi - число молей i-ого вещества, образующегосяв единице объема в единицу времени за счет протекания химических реакций ифазовых переходов.Уравнения (2.4) описывают кинетику газофазных химических реакций,выражения для Wi получаются по обычным правилам химической кинетики.
Наряду суказанным выше иногда рассматривают еще два предельных случая протеканиягазофазных химических реакций - случай "замороженных" реакций, когда приближеннополагают:Wiаi0, i1,..., N,(2.5)находят из уравнений (2.4); и случай "равновесного" протекания реакций.
Впоследнем случае полагают, что реакции протекают настолько быстро, что химическоеравновесие в реагирующем газе успевает установиться в каждый текущий моментвремени. В условиях химического равновесия концентрации химических компонентовудовлетворяют уравнениям материального баланса и условию:Wi ( p, T , )0, i1,..., N .(2.6)17Учитывая сделанные выше предположения, в качестве базовой модели,описывающей течение полидисперсной диспергированной фазы, будем рассматриватьследующую систему уравнений:tttns Fxns ms F0;ns us Fxns msus F(2.7)MF ;ns us ms F2xns msus F(2.8)IF ;2tns ms F (esus)2(2.9)2xns u s ms F (esus)2EF .(2.10)Здесь ns , ms , es , us - число частиц в единице объема, масса, внутренняя энергия, скоростьчастиц соответственно.Системы уравнений, описывающие совместное течение газа и частиц, связанычерез правые части, учитывающие взаимное влияние фаз. Соотношения для M , I , Eфигурирующие в (2.1-2.4) и (2.7-2.10) имеют следующий вид:MIns ms ;ns (ms us.Ens ms es(2.11)ms u ) ;u s22(2.12).ms es u s u s.(2.13)Здесь u s , m s , e s – выражения, описывающие скорость изменения скорости, массыи внутренней энергии капли [3, 8, 215–221].Хорошо известно, что наряду с областями плавного изменения параметровдвухфазного потока, в поле течения могут существовать сравнительно тонкие зонырезкого изменения параметров газа, которые обычно аппроксимируют поверхностямиразрыва [215].
Примерами таких зон могут служить слой смешения газов, состоящих изразличных молекул (контактный разрыв), ударные волны и, с некоторыми оговорками,детонационные волны. В условиях моделирования технологических процессов толщина18указанных ударно - волновых и диссипативных образований мала по сравнению схарактерным размером задачи - длиной канала. Поэтому, в первом приближении, можнопренебречь их тонкой структурой, т.е.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
