Диссертация (786512), страница 9
Текст из файла (страница 9)
3.26. V-T диаграмма.1 –детонационная адиабата; 2 – фазовая1траектория 50 мкм; 3 – фазовая траектория 1 мкм61Необходимо отметить, что кривые 4-8 получены путем интегрированиядостаточно сложной системы дифференциально- алгебраических уравнений (2.262.34), причем для получения стационарной точки требуется выполнить несколькотысяч, а иногда и сотен тысяч шагов, а кривая 6 получена путем решения системынелинейных алгебраических уравнений (2.39-2.42). Точное попадание решениядифференциально-алгебраических уравнений в точку, лежащую на кривой 6свидетельствует о высокой точности разработанных алгоритмов численногоинтегрирования, обеспечивающих точное выполнение законов сохранения массы,импульса, энергии и химических элементов в двухфазной реагирующей смеси.3.1.3 Смесь метана с воздухомВ начале рассматривается стехиометрическая метано-воздушная горючаясмесь с добавлением капель воды в предположении, что капли воды полностьюиспарились и достигнуто состояние термодинамического равновесия.
Продуктысгорания моделировались двенадцатью компонентами: CO, CO2, CH3, CH4, HCO,H2, OH, H2O, O2, N2, H, O. Изучалось влияние на значения параметров в точкахЧепмена-Жуге детонации и дефлаграции отношения массы капель воды к массеводородо-воздушной смеси ( m H 2O / mТ ) в начальном составе (рис. 3.27-3.33). ПриизмененииmH 2O / mТ от 0 до 1 температура продуктов сгорания в состоянииЧепмена-Жуге изменялась от 2800 К до 600 К при детонации (кривая 2 рис. 3.27)и от 2000 К до 500 К при дефлаграции. В состав продуктов сгорания (рис. 3.28,3.30, 3.33) в основном входили азот, вода и углекислый газ, при m H 2O / mТ0.2взаметных концентрациях присутствовали кислород, угарный газ, водород ирадикал OH.
Необходимо отметить наличие точки минимума на графике скоростидефлаграции (рис. 3.29) при m H 2O / mТm H 2 O / mТ0.4при дефлаграции (рис. 3.29, 3.32).и слабую зависимость давления от62D, м/с; T, K; p*10-3 Па;3000U, м/c; a, м/c2500200031500165100045000200.10.20.30.40.50.60.70.80.9mH 2O / mТРис. 3.27. Зависимость параметров течения в точке Чепмена-Жуге взависимости от отношения масс воды и газовой смеси (метан+ воздух) (1 Скорость ДВ Чепмена-Жуге, 2 - температура, 3 - давление (*0.001), 4 - скоростьпотока, 5 - равновесная скорость звука, 6 - замороженная скорость звука)N2H2O10,моль/кгiCO21O2COH20.1OH00.10.20.30.40.50.60.70.80.9mH 2O / mТРис. 3.28. Зависимость мольно-массовых концентраций компонентов вточке Чепмена-Жуге детонации в зависимости от отношения массы воды к массетоплива63U, м/c; a, м/cD*102, м/с; T, K; p*10-1 Па;700060001500034000300020002100064,5000.10.20.30.40.50.60.70.80.91mH 2O / mТРис.
3.29. Зависимость параметров теченияв точке Чепмена-Жугедефлаграции от отношения массы воды к массе топлива (1 - начальная скоростьпотока Чепмена-Жуге (*100), 2 - температура, 3 - давление (*0.1), 4 - скоростьпотока, 5 - равновесная скорость звука, 6 – замороженная скорость звука)N2H2O10,моль/кгiCO210.1 O20.01 OH0COH20.20.40.60.81mH 2O / mТРис. 3.30. Зависимость мольно-массовых концентраций компонентов вточке Чепмена-Жуге дефлаграции от отношения массы воды к массе топлива.64500045004000T, K35003000125002000515003100064500020.1110V , м 3 / кгРис. 3.31. Зависимость температуры от удельного объема вдоль равновеснойадиабаты при различных отношениях массы капель к массе топлива (1 – 0; 2 –0.1; 3 – 0.5; 4 -1.0) (метан+воздух).
Линии 5 и 6 соединяют точки Чепмена-Жугедетонации и дефлаграции1e+0075p, Па1e+0061000001463100000.11210V , м 3 / кгРис. 3.32. Зависимость давления вдоль равновесной адиабаты от удельногообъема при различных отношениях массы капель к массе топлива (1 – 0; 2 – 0.1; 3– 0.5; 4 – 1.0) (метан+воздух). Линии 5 и 6 соединяют точки Чепмена-Жугедетонации и дефлаграции653543025320,моль/кгi51562105100.010.1110100V , м / кг3Рис. 3.33 . Зависимость мольно-массовой концентрации паров воды вдольравновесной адиабаты от удельного объема при различных отношениях массыкапель к массе топлива (1 – 0; 2 – 0.1; 3 – 0.5; 4 – 1) (метан+воздух).
Линии 5 и 6соединяют точки Чепмена-Жуге детонации и дефлаграцииБыли проведены расчеты детонации стехиометрической метано-воздушнойгорючей смеси с добавлением капель воды в многофазной неравновеснойпостановке (решалась система уравнений 2.26-2.34) при стандартных условиях (p= 1 атм, T=298.15 К). Учитывались неравновесный процес испарения капельводы и газофазные химические реакции. Используемый в расчетах упрощенныймеханизм горения метана в воздухе [222] приведен в таблице 3.2.
Варьировалисьмассоваядолякапельводыиначальныйдиаметркапель.Типичныераспределения параметров течения в детонационной волне при различныхотношениях масс капель воды к массе топлива представлены на рисунках 3.34 –3.37. В случае, когда температура за ударной волной (рис. 3.34) превышаеттемпературу самовоспламенения горючей смеси, начинают конкурировать двапроцесса химические реакции в результате которых тепло выделяется в газ ииспарение капель воды, которое приводит к поглощению тепла.
Сценарийпервый, если тепла выделяется больше чем поглощается, то вблизи ударнойволны происходит воспламенение горючей смеси (кривые 1-3 рис. 3.34-3.37).После воспламенения, при переходе системы к равновесному состоянию66тепловыделение уменьшается и из-за испарения температура смеси уменьшаетсяпо сравнению со случаем воспламенения чисто газовой горючей смеси (кривая 0рис. 3.34). Кривая 4 рис.
3.34-3.37 соответствует случаю, когда потери тепла засчет испарения вблизи ударной волны превосходят приток тепла за счетхимических реакций. В этом случае температура смеси снижается. Сценарийвторой, если уровень температуры после полного испарения капель превышаеттемпературу самовоспламенения смеси, то воспламенение и полное сгораниесмеси происходит (кривая 4 рис. 3.34-3.37).
Необходимо отметить, что вприведенном на рисунке случае, воспламенение наблюдается на расстоянии 2000м от ударной волны, что к реальности, конечно, отношения не имеет, но в тожевремя свидетельствует о высокой точности разработанных алгоритмов.Таблица. 3.2. Упрощенный кинетический механизм горениястехиометрической смеси метана с воздухомРеакцияCH4CH4CH4CH4CH3CH3HCOHCOCOHH2H2OH2OH2OHHOO++++++++++++++++++MOHOHO2OOHMOHO2OOOHOHHOH++++MMMM<=><=><=><=><=><=><=><=><=><=><=><=><=><=><=><=><=><=>Коэффициенты ф-лы АррениусаCH3CH3CH3CH3HCOHСOCOHCO2OHOHOHH2H2OH2O2OH++++++++++++++++++HM 1.000E+12H2O2.800E+07OH2.000E+07H2+ M 6.900E+07H2O6.170E+03H21.000E+08H2O1.000E+08CO + M 2.000E+06H5.600E+05OH2.200E+08OH1.700E+07OH5.800E+07OH5.800E+07OH8.400E+07M4.000E+07M1.500E+06M4.000E+05M5.300E+030.000.000.000.00-0.500.000.000.500.000.000.000.000.000.00-1.00-1.00-1.000.004.450E+042.500E+034.640E+035.950E+030.000.000.001.440E+04545.8.340E+034.750E+039.070E+039.070E+031.010E+040.000.000.002.780E+036730000250012T, K200031500100045000.0001 0.0010.010.11101001000 10000,м6Рис.
3.34. Зависимость температуры продуктов сгорания в волне ЧепменаЖуге от продольной координаты при различных отношениях массы капель кмассе топлива (0 – 0; 1 – 0.1; 2 – 0.2; 3 – 0.3, 4 – 0.4) (метан+воздух), d 50мкм3.4e+0063.2e+0063e+0062.8e+006p, Па2.6e+0062.4e+0062.2e+0062e+006012341.8e+0061.6e+0061.4e+0060.0001 0.0010.010.11101001000 10000,мРис. 3.35. Зависимость давления продуктов сгорания в волне Чепмена-Жуге отпродольной координаты при различных отношениях массы капель к массетоплива (0 – 0; 1 – 0.1; 2 – 0.2; 3 – 0.3, 4 – 0.4), d 50мкм6680.40.35430.3,0.25кгв/кгТ0.2i210.1500.10.0500.0001 0.0010.010.11101001000 10000,мРис. 3.36.
Зависимость массовой концентрации паров воды в волне Чепмена-Жугеот продольной координаты при различных отношениях массы капель к массетоплива (0 – 0; 1 – 0.1; 2 – 0.2; 3 – 0.3, 4 – 0.4) (метан+воздух), d 50мкм5e-0054.5e-0054e-005d, мкм3.5e-0053e-0052.5e-0052e-0051.5e-0051e-00515e-00600.010.12,341,мРис. 3.37. Зависимость диаметра капель воды в волне Чепмена-Жуге отпродольной координаты при различных отношениях массы капель к массетоплива (0 – 0; 1 – 0.1; 2 – 0.2; 3 – 0.3, 4 – 0.4) (метан+воздух), d 50мкм669Расчетным путем определялись параметры детонации Чепмена-Жуге длярассматриваемойm H 2O / mТ0.4газокапельнойсмеси(рис.3.38).Получено,чтопридля капель воды диаметром от 10 до 50 мкм точку Чепмена-Жугенайти не удалось, это связано с тем, что из-за испарения температура смесиснижалась до уровня меньшего, чем температура самовоспламенения.
В этомслучае, т.е. для изучения воспламенения горючей смеси вблизи порогасамовоспламенения необходимо использовать более подробные кинетическиемеханизмы. При m H 2O / mТ0.4 ,скорости детонации Чепмена-Жуге, полученные сD, м/с; T, Kучетом кинетики испарения и равновесной модели отличались слабо.3000280026002400220020001800160014002100.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4mH 2O / mТРис. 3.38.
Зависимость скорости детонации Чепмена-Жуге (1) итемпературы (2) от отношений массы капель к массе топлива при различныхдиаметрах капель (линии – идеальный расчет, маркера – капли, диаметром 10 и 50мкм)Рассмотрим поведение системы на фазовых плоскостях p-V и p-T напримере расчета, выполненного для капель диаметром 10 и 50 мкм и mH 2O / mТ6440.4(рис. 3.39-3.40). Случаю детонации Чепмена-Жуге соответствует кривая 4 (рис.3.39-3.40), зависимости изменения параметров течения как функции расстоянияот ударной волны приведены на рисунках 3.34-3.37, кривая 4.70Первый сценарий, фазовая траектория начинается на ударной адиабате 1.Вначале наблюдается рост плотности смеси, который сопровождается ростомдавления и, в начале небольшим ростом, а затем существенным падениемтемпературы; далее процесс идет с уменьшением плотности и давления,и ростомтемпературы, который заканчивается в точке на равновесной детонационнойадиабате (кривая 2, рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
