Зажигание, горение и детонация полидисперсных топливно-воздушных смесей

• Автор: Хадем Джавад
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 156 с. : ил.

1 Состояние вопроса
1.1 Общая история проблемы
1.2 Обзор научных проблем, возникающих при моделировании
горения полидисперсных смесей
1.2.1 Особенности математического описания исследуемой среды
2 Математическая модель турбулентного горения полидисперсных топливно-воздушных смесей
2.1 Моделирование динамики газовой фазы
2.1.1 Осреднение характеристик сжимаемой среды
2.1.2 Осреднение по Фавру уравнения динамики газовой фазы
2.1.3 Моделирование турбулентности в рамках Ка-эпсилон модели
2.1.4 Рабочий вид уравнений, моделирующих газовую фазу
2.1.5 Уравнения динамики газовой фазы в цилиндрической
системе координат
ф 2.1.6 Химические взаимодействия в газовой фазе
2.1.7 Граничные условия для характеристик газовой фазы
2.1.8 Начальные условия в газовой фазе
2.2 Моделирование диспергированной фазы
2.2.1 Характеристики набора модельных капель
2.2.2 Динамика модельной капли
2.2.3 Граничные и начальные условия для модельной капли
2.2.4 Потоки массы, импульса и энергии от модельной капли
2.3 Замыкание модели. Потоки в газовую фазу и зажигание
2.3.1 Пересчет потоков от модельных капель на эйлерову сетку и расчет объемного содержания диспергированной фазы
2.3.2 Проблемы пересчета вектора импульса на эйлерову сетку в цилиндрической системе координат
2.3.3 Моделирование зажигания смеси
3 Численная модель турбулентного горения полидисперсных
топливно-воздушных смесей и ее алгоритмическая реализация
3.1 Численный расчет параметров газовой фазы
3.1.1 Расчетная сетка для полей характеристик газовой фазы
3.1.2 Векторная запись основных уравнений газодинамической
ф части задачи

3.1.3 Расщепление временного шага газовой фазы по координатам
и процессам
3.1.4 Стадия применения локального источника
3.1.5 Стадия учета конвективных потоков
3.1.6 Стадия учета вязких или диффузионных членов уравнений газовой фазы
3.2 Численный расчет параметров диспергированной фазы и расчет межфазных потоков
3.2.1 Расчет одного шага по времени движения модельной капли
3.2.2 Расчет потоков от одной модельной капли
3.2.3 Расчет энергии зажигания, приходящейся на модельную
каплю и на узел эйлеровой сетки
3.2.4 Расчет величины шага по времени
3.2.5 Стратегия расчета одного шага по времени

4 Результаты вычислений
4.1 Моделирование тепломассробмена при взаимодействии капли
жидкости с потоком газа
4.1.1 Результаты расчетов по использованной модели
• 4.2 Взаимодействие ударной волны с аэрозолем
4.2.1 Результаты расчетов
4.3 Исследование перехода горения в детонацию
4.3.1 Верификация теорической модели
4.3.2 Исследование зависимости условий инициирования детонации от параметров зажигания и начальной турбулентной энергии
4.3.3 Распределение некоторых параметров гетерогенной смеси
при инициировании детонации в цилиндрической трубе
4.3.4 Исследование зависимости условий инициирования детонации от начальной температуры и начального
давления смеси
4.3.5 Исследование зависимости условий инициирования детонации от видов функций распределения капель по размерам и от размеров
4.3.6 Влияние неравномерности пространственного распределения конденсированной фазы на характер переходных процессов
Заключение
^ Список литературы

Актуальность темы. Повышение внимания к процессу перехода горения в детонацию вызвано новейшей разработкой пульсирующих детонационных камер сгорания. Вероятное использование этих принципов в создании новых поколений двигателей поставило проблему перехода горения в детонацию на вершину современных исследований. Переход горения в детонацию является ключевым фактором, который характеризует цикл операции пульсирующего детонационного двигателя. Поэтому стала острой проблема управления переходом горения в детонацию в газо-воздушных смесях. Проблемы образования горючих смесей и инцирования детонации в полидисперсных топливно-воздушных смесей являются ключевыми аспектами, которые предоставляют разные ограничения для создания пульсирующих детонационных устройств, особенно для пульсирующих детонационных двигателей.
Помимо указанной проблемы, остается актуальной проблема пожаро- и взрывобезопасности при аварийных выбросах сжиженных газов. Воспламенение вскипающего сжиженного газа является одним из самых опасных сценариев аварийной ситуации на объектах промышленности и • транспорта, зачастую приводящей к человеческим жертвам и практически
всегда - к крупным разрушениям. Опасность эта связана в частности с тем, что сжиженный горючий газ является высокоэнергетическим топливом, быстрое неконтролируемое горение которого приводит к повышению температуры окружающей среды до величин, при которых разрушается большинство конструкционных материалов, а также с тем, что в смеси пара сжиженного топлива с воздухом легко может возникнуть детонационная волна. В связи с этим актуальным является расчет условий возможного возникновения горения и детонации в топливо-воздушной смеси.
Настоящая работа посвящена как теоретическим, так и программноалгоритмическим аспектам моделирования горения топливно-воздушных смесей. В работе подробно рассматриваются этапы построения математической модели и ее численной реализации.
Цели и задачи исследования. В настоящем исследовании решается проблема разработки математической модели горения полидисперсных топливновоздушных смесей в рамках эйлерово-лагранжева подхода с учетом турбулентности течения, полидисперсности смеси и физико-химических превращений в газовой фазе. При моделировании используется эйлеров подход к газовой фазе и лагранжев подход к фазе диспергированной. Такой Я подход позволяет описать полидисперсность аэрозольной среды и изменение

к Р ;

р 1^-ц,К М(Т,)
Р„ = Р{Т„,р), М„=р{Т„)

1 +
г~1м2

(у + 1)М
г г
(у-)М2 +
1 +
, 1 /(у_1)
у-1 (у-)Мг + 2л

М >1.
и . —и
1<1;
2 2уМ2-(у-1)у
В формулах (2.2.9) у - показатель адиабаты газа, р(Т) - коэффициент динамической вязкости газа, М - числа Маха и с - скорость звука.
При малых значениях числа Рейнольдса формула (2.2.9) сводится к формуле Стокса, а при больших - к пропорциональности силы сопротивления квадрату относительной скорости обтекания с коэффициентом аэродинамического сопротивления для шара: Са ~ 0,4128.
В настоящей диссертации считаем, что форма капель все время остается сферической, то диаметр с11 капли вычисляются через объем ф1 следующим образом:
4-ГМ

2.2.22 Модель теплообмена капли. Для моделирования баланса внутренней энергии будем использовать следующее уравнение:
<1е;
Щ = & + ё“ • где е<= СЛ + н
(2.2.10)
В формуле е1 - внутренняя энергия единицы массы капли, ёе1 - поток энергии
к диспергированной фазе извне, си - ее теплоемкость, Л® - теплота
образования на единицу массы. При отсутствии гетерогенных химических реакций под теплотой образования можно понимать теплоту испарения на единицу массы.
Поток тепла определяет передачу тепла от газа к капле за счет теплопроводности и конвекции, а поток (2„ - за счет испарения. Последний можно выразить как:
(2.2.11)
причем моделирование изменения массы капли изложено ниже. При отсутствии испарения поток (?м. равен нулю.