Содержание.
Введение.........................................................4
Глава 1. Состояние вопроса.
1.1. Особенности моделирования течений газовзвесей....................6
1.2. Горение изолированных капель.....................................7
1.3. Процессы тепло- и массопереноса при горении
частиц в ансамбле..............................................14
Глава 2. Тепловой режим работы двухфазного газокапелыюго реактора идеального смешения.
2.1. Математическая модель реактора..................................23
2.2. Стационарные режимы реактора....................................33
2.3. Анализ стационарных режимов адиабатического реактора............34
2.4. Стационарные состояния реактора при наличии
внешнего теплообмена.................................................41
2.4. Нестационарные процессы в реакторе..............................43
2.5. Анализ устойчивости стационарных режимов........................53
Глава 3. Волны горения в газовзвеси капель жидкого топлива.
3.1. Актуальность проблемы...........................................60
3.2. Математическая формулировка задачи..............................63
3.3. Инициирование волны горения.....................................70
3.4. Скорость распространения волны горения..........................79
Приложения.
А. Описание численного метода и блок-схема его реализации для......
решения нестационарной задачи о режимах работы двухфазного......
газокапельного реактора идеального смешения......................89
2
В. Описание численного метода и блок-схема его реализации для решения нестационарной задачи о распространении плоской волны горения в газовзвеси капель жидкого топлива....................94
Выводы........................................................102
Список литера туры............................................105
3
Введение.
Протекание экзотермических реакций в двухфазных средах характерно для широкого круга процессов, которые связаны с химическим взаимодействием горючих компонентов, находящихся в различных агрегатных состояниях. Эти процессы лежат в основе современных способов сжиг ания жидких и твердых топлив, используются в энергетике, авиационной и ракетной технике, химической технологии и т. д. .
Горение двухфазных сред отличается рядом специфических особенностей, обусловленных, прежде всего, протеканием химического превращения в условиях динамического и теплового взаимодействия реагентов, интенсивного массопереноса при фазовых превращениях, а также зависимостью параметров процесса как от термодинамического состояния системы, так и её структурных характеристик.
Настоящая работа посвящена исследованию закономерностей и построению эффективных численных методов анализа процессов тепло- и массообмена в двухфазных газокапельных средах при наличии экзотермических химических реакций.
Диссертация состоит из трех глав и приложения. В первой главе приводится краткий обзор состояния рассматриваемых вопросов. В частности, обсуждаются существующие подходы к описанию процессов испарения и горения изолированных капель, а также рассматриваются основные принципы моделирования течений газовзвесей с твердыми или жидкими частицами.
Вторая глава посвящена исследованию режимов работы двухфазного газокапельного химического реактора идеального смешения. Математическая модель реактора строится в рамках принципа взаимно проникающих континуумов и включает уравнения теплового и материального баланса фаз, а также уравнения баланса компонентов газовой фазы. Проводится параметрический анализ множественности
4
стационарных состояний и их устойчивости к малым возмущениям. Подробно изучен вопрос о нестационарном развитии процессов тепло- и массопереноса в газожидкостном реакторе. В частности, установлено, что точкам параметрического пространства из области неустойчивых положений равновесия соответствуют устойчивые предельные циклы.
В третьей главе диссертации рассматривается вопрос об инициировании и распространении волн горения в газовзвесях капель жидкого топлива. Система уравнений теплового и материального баланса фаз газокапельной среды представлена в односкоростном, гомобарическом приближении в соответствии с моделью взаимно проникающих континуумов. На основе разработанного автором численного метода решена задача зажигания газовзвеси накаленной стенкой, выявлены характерные особенности формирования и распространения волн горения в газокапельной смеси. Проведено сравнение результатов численных расчетов с экспериментальными данными и установлено хорошее соответствие между ними.
В приложениях А и В даются описания численных методов, приводящих к дискретным аналогам математических моделей из глав 2 и 3, а также алгоритмы и блок-схемы решения этих аналогов.
5
Глава 1. Состояние вопроса.
1.1. Особенности моделирования течений газовзвесей.
Существенные результаты в разработке теории горения двухфазных сред могут быть получены на основе последовательного применения методов механики гетерогенных систем [1 -7]. Такой подход реализован в исследованиях, результаты которых содержатся в публикуемых с начала 70-х годов отечественных и зарубежных работах [8 - 14]. Эти исследования вызваны все возрастающим разнообразием и актуальностью вопросов, связанных с горением двухфазных сред. Среди них - интенсификация и оптимизация процессов энергетического и технологического горения, экологические аспекты горения, взрывопожаробезопасность и пожаротушение, физико - химические способы воздействия на нефтяные пласты и др..
Диспергирование топлив один из наиболее эффективных и практически осуществимых способов интенсификации процесса горения. Как правило, для сжигания мелкодисперсных частиц необходимо вводить их в газовые потоки, то есть создавать газовзвеси. Последние широко используются в теплоэнергетике при горении в камерных, вихревых и циклонных топках, в авиационной и ракетной технике при горении турбореактивных и прямоточных воздушно-реактивных двигателях, а также в различных высокотемпературных химико-технологических процессах.
Специфика горения газовзвесей определяется, с одной стороны, закономерностями горения отдельных частиц, а с другой взаимоналожением влияния частиц друг на друга. Это обстоятельство определило два различных направления в изучении горения газовзвесей:
а) исследование горения индивидуальных частиц ( микропроцессов ) и
б
б) исследование тепло- массопереноса и распространения пламени в ансамбле частиц (макропроцессов).
1.2. Горение изолированных капель.
Закономерности горения отдельных частиц в значительной мере определяются физико-химическими свойствами вещества частиц и, в первую очередь, температурой и теплотой фазовых переходов. Существенное значение имеет также агрегатное состояние продуктов реакции во всем диапазоне реализуемых при горении температур. Горению изолированных капель жидкого топлива посвящено большое число работ, берущих начало от основополагающей работы Г.А. Варшавского [15] по диффузионному горению капли. В дальнейшем своё развитие теория получила в работах М.А. Гуревича, А.Г. Мержанова, И.И. Палеева, А.М. Степанова, Б.И. Хайкина, F.A. Wiliams, D.B. Spalding, С.К. Law, G.A. Godsave и др.. В классической постановке задачи [16-21] предполагается, что капля однокомпонентного жидкого топлива помещена в бесконечную неподвижную газовую среду. Условия в системе далеки от критических. Отсутствует как вынужденная, так и естественная конвекция, вследствие чего имеет место сферическая симметрия. Горючее предполагается не слишком летучим, так что время полного испарения капли существенно больше характерных времен тепловой и диффузионной релаксаций в газе. Последнее позволяет рассматривать задачу в квазистационарном приближении, то есть перенос тепла и вещества в газе считать стационарным, а зависимость процесса от времени учитывать интегрально при расчете изменения массы капли вследствие фазового превращения на сё поверхности. Передача тепла от газа к капле осуществляется кондуктивно. Подведенное тепло используется для газификации жидкости, приводя к повышению концентрации пара на поверхности раздела фаз.
7
Если концентрация пара в окружающей атмосфере ниже, чем на поверхности капли, то существует градиент концентрации этой концентрации, благодаря которому пар топлива диффундирует во внешнюю среду. Таков в общих чертах механизм непрерывного превращения жидкости капли в пар и рассеяния последнего посредством диффузии в пространстве при условии отсутствия в системе термодинамического равновесия.
В процессе горения капли принято выделять два этапа. Первый, называемый кинетическим режимом горения характеризуегся тем, что химическая реакция протекает практически во всем объеме, окружающем каплю. При этом скорость химического превращения невелика, в связи с чем отсутствуют значительные градиенты концентраций реагентов. Как правило, продолжительность этой стадии составляет несколько процентов от полного времени горения капли.
Второй, диффузионный режим горения характеризуется образованием вокруг капли узкой, шаровой, реакционной зоны, в которую со стороны капли поступает паровой реагент, а снаружи - окислитель (рис. 1.1). Потоки реагирующих веществ находятся в зоне пламени приблизительно в стехиометрической пропорции, то есть количеству подводимого пара соответствует такое количество подводимого окислителя какое необходимо, чтобы произошло полное превращение реагентов в продукты реакции. Вследствие того, что химическое превращение происходит с выделением тепла, наблюдается значительный разогрев газа в зоне горения. В дальнейшем, это приводит к тому, что химическая реакция, сильно зависящая от температуры, протекает настолько интенсивно, что количеством реагентов, проскакивающих сквозь пламя, можно пренебречь. Следует заметить, что выделяющееся тепло благодаря молекулярной теплопроводности передаётся как наружу в окружающий газ, так и внутрь, по направлению к капле, что позволяет
Рис. 1.1. Схема горения капли.
Направления потоков обозначены стрелками:
<=> - тепла;
ч|— пара топлива;
- окислителя; о* - продукта реакции.
9
- Київ+380960830922