И.Н. Зверев, Н.Н. Смирнов - Газодинамика горения

УДК 834.2 Рецензенты академик ЛН УЗССР, проф. Х. А, Ракматулин; проф. Ю А, Демьянов Печатается ио иостановленшо Редакционно-издательского совета Московского университета © Издательство Московского университета, !987 г. 1703040000 — 182 077(02) — 87 Зверев Н. Н., Смирнов Н. Н. Газодинамика горения. — Мг Изд-во Моск, ун-та, 1987. — 307 с.

В книге излагаются вопросы газодинамики горения жидкого, твердого в газообразного топлива. Рассматриваются течения химически реагирующих смесей газов, задачи ме>кфазного тепло- и массообиена при диффузионном горении материалов в окислителе, газофазные гетерогенные и каталитическпе реакции, Исследуется горение гомогенных и гетерогенных систем.

Для научных сотрудников и инженеров, . специализирующихся и области технологического горения топлива и вопросах пожаро- и взрывобезопасности, Доступно студентам и аспирантам механико- математических факультетов. ОГЛАВЛЕНИЕ и фазовыми переходами б 1! Основные термодинамические свойства и кинетические характеристики мна~окомпонентных смесей б 1.2 Основные уравнения для многокомпоневтных систем 4 !.3.

Граничные условия на поверхности раздела фаз в вязких теплопроводных многокомпонентных средах $ !.4. Фазовые переходы !.4.1 Равновесные фазовые переходы 1.4.2 Иеравновесоые фазовые переходы б !.5. Первые интегралы основных уравнений многокомиовеитной реагируюшей смеси газов 7 15 28 35 35 43 46 Глава 11.

Горение капель и частиц в газофазном и гетершениом ре- жимах 52 $2 !. Гетерогенные смеси газа с частицами 4 2.2. Горение капли горючего в газофазном режиме б 2.3. Гетерогенное горение частиц горючего в атмосфере окислителя б 2.4 Каталнтичсскне реакции на сферическом каталнзазоре б 2.5 Нестацпонарное горение поверхности топлива в диффузионном режиме 52 53 61 66 74 11!. Неустановившиеся одномерные течения сжимаемого ~аза Некоторые сведения из теории уравнений и,частных производных Задача Коши. Метод характеристик Смешанная задача (задача с начальными и граничными услониями) Слабые разрывы Основные уравнения одномерного не!становившегося течения идеального газа Однозвтропнческое плоское одномерное неусгановившесся течение газа Простые волны Ударные волны Аналитическвй метод решения задач взаимодействия полн Глава й 3.1 85 89 .й 32 % 33 95 96 й 3.4 3.5 й 36 % 3.7 % 3.8 з 39 107 П9 134 153 Глава 19.

Горение н детонация гомогенных смесей 164 з 4.1. Введение з 4.2., Основные соотношения па фронте реакции й 4 3. Детонация и дефлаграцвя Чспмена — Жуге. Основные фронта реакции з 4.4. Сгепень определенности течения газа пря детонации и й 45. Автомадельные движения, содержащие фраат летова дефлаграцнв 164 167 175 185 189 снойства горении цин илн Предисловие Г л а на 1.

Многокомпоиентные газовые потоки с химическими реакциями $4.6. Модели, учитываюшие конечный размер зоны детонации .. 197 й 4.7. Определение скорости нормального горения гомогенных смесей 211 з 4.8. Переход горения в детонацию , , . . . . . . , 230 6 4.9. Волны детонации и дефлаграции со сферической и цилиндрической симметрией . . . , . .

. 233 $4.10 Пульснруюшая и спиновая детонация , . . . , , 242 Гла в а т'. Горение и детонация в гетерогенных средах з 5.!. Введение й 5'2. Исследования детонации в двухфазных састемах 6 5.3. Структура детонации в неперемешанных двухфазных системах й 5.4. Взаимодействие вторичной волны с головной волной при спинозой детонации в иеперемсшанных гетерогенных системах й 5.5. Распространсние пламени в гетерогенных средах 6 5.6 Самоподдерживаюшийся режим детонации н двухфазных средах й 5.7.

Горение гетерогенных систем с пузырьками газа Литература 254 254 255 263 271 276 290 292 298 прндисловин Горение, с которым мы сталкиваемся в быту и в технике, представляет собой весьма сложное явление. Хотя практически вся сознательная деятельность человечества связана с использованием огня, механизм процессов горения до сих пор еще недостаточно изучен. Горение включает в себя множество связанных между собой физико-механических и химических процессов. Физические и механические процессы включают тепломассообмен, фазовые переходы, процессы переноса в реагирующих газовых смесях и движение сред. Химические процессы определяются протеканием реакций, состоящих из целого ряда элементарных взаимодействий.

В понятие горения |в широком смысле включаются экзотермические реакции, приводящие к образованию не только окислов, но и фторидов, хлоридов, нитридов, а при горении металлов — боридов, карбидов. Обычно под горением в узком смысле понимают быстрый физико-химический окислительно-восстановительный процесс с выделением тепла, который может распространяться в самоподдерживающемся режиме а~. В первой главе данной книги приводится система уравнений, описывающих течения химически реагирующей смеси газов в присутствии термохимически разрушающейся конденсированной фазы. Вторая глава посвящена рассмотрению задач диффузионного горения отдельных капель, частиц или поверхностей в газофазных и гетерогенных режимах.

В третьей главе излагаются основы газод~тамики нестационарных одномерных течений, В четвертой главе рассмотрено распространение горения и детонации в гомогенпых смесях. Пятая глава посвящена исследованию горения и детонации в гетерогенных системах, содержащих газообразный окислитель и конденсированное горючее. Материал книги попользовался в специальном курсе лекций, читаншихся авторами на механико-математическом факультете Московского университета. " Такие медленные процессы окисления, как р>кавленис и прочие не входят в понятие горения. ГЛАВА 1 МНОГОКОМПОНЕНТНЪ|Е ГАЗОВЫЕ ПОТОКИ С ХИМИЧЕСКИМИ РЕАКЦИЯМИ И ФАЗОВЫМИ ПЕРЕХОДАМИ При горении реагенты могут находиться в различных агрегатных состояниях: жидком, твердом, газообразном.

Поэтому все множество горючих смесей можно разделить на гомогенные системы (однофазные) и гетерогенные (многофазные). Гомогенные системы — это та~хне системы, которые однородны по физическим свойствам и химическому составу при термодинамическом равновесии и отсутствии внешних полей. Гетерогенными называются такие системы, которые состоят из нескольких физически однородных, или гомогенных, систем, разделенных между собой поверхностями разрыва непрерывности в изменении их свойств.

Гомогенные части гетерогенной системы называются фазами ч~. Каждая 'фаза занимает свой объем. Примером гетерогенной системы может служить смесь газа с частицами или каплями горючего. Каждая фаза может состоять из нескольких компонентов, совместно существующих в данном объеме и представляющих собой химически однородные вещества, которые могут быть выделены из системы.

Примером многокомпонентной фазы может служить гомо- генная горючая смесь газов (смесь водорода (Н,) с кислородом (Оз) и др.). При исследовании задач воспламенения и горения различных материалов в атмосфере окислителя необходимо рассматривать течения смесей газов, состоящих из паров горючих материалов, окислителя и всевозможных продуктов реакции. Потоки горячих продуктов реакции служат основным средством конвективного переноса энергии от очага горения к негорящим участкам поверхности и играют существенную роль при определении скорости распространения горения от места воспламенения, Сгорание многих горючих соединений (спирты, бензины и другие нефтепродукты) происходит в газофазном режиме, т. е. при условии предварительной газификации горючего и перемешивания паров с окислителем. В этом случае в области горения осуществляется течение многокомпонентной химически реагирующей смеси. Выделение энергии в результате химической реакции приводит к резкому повышению температуры в газовом потоке.

Определяющую роль при горении жидких и твердых горючих материалов играют процессы межфазного тепло- и массообмена на поверхности раздела "' Заметим, что фзз может быть сущестненно больше, чем вгрегзтвых состояний веиссзвв. Тзк, например, для воды в твердом агрегатном состоянии (яед) существует 5 различных фзз. газообразной и конденсированной фаз. При наличии соединений, вступающих в реакцию непосредственно иа поверхности раздела фаз (гетерогенный режим реагирования), на этой поверхности происходит дополнительное выделение энергии в результате химической реакции. В данной главе выводятся основные уравнения для течений химически реагирующих смесей газов при наличии процессов межфазного тепло- и массообмена на границе раздела фаз.

й Ц! ОСНОВНЫЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И КИНЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СМЕСЕЙ Введем малый объем ЛР,массой Лт=~ Лть где Лт;— ~.=! масса 1-го компонента в объеме Л'о'. В газовой динамике обычно рассматривается не масса ть а плотность, которую определим как следующий предел: (1.1) ои о ЛР ор где дà — бесконечно малый макроскопический объем.