Моделирование горения пылевоздушной смеси

• Автор: Никитин, Валерий Федорович
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2001
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 182 с. : ил

Содержание
Введение
1 Состояние вопроса
1.1 Общая история проблемы
1.2 Обзор научных проблем, возникающих при моделировании пылевоздушных взрывов
1.2.1 Физические свойства исследуемой среды, существенно влияющие на ее воспламеняемость
1.2.2 Особенности математического описания исследуемой среды
2 Математическая модель турбулейтЙБ?^ горения пыле - воздушной смеси в закрытом сосуде ’ '
2.1 Моделирование динамики газовой фазы
2.1.1 Осреднение характеристик сжимаемой среды
2.1.2 Осредненные 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
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 пылевой фазы
2.2.1 Характеристики набора модельных частиц
2.2.2 Динамика модельной частицы
2.2.3 Граничные и начальные условия для модельной частицы
2.2.4 Потоки массы, импульса и энергии от модельной частицы
2.3 Замыкание модели. Потоки в газовую фазу и зажигание
2.3.1 Пересчет потоков от модельных частиц на эйлерову сетку и расчет объемного содержания пылевой фазы
2.3.2 Проблемы пересчета вектора импульса на эйлерову сетку в цилиндрической системе координат
2.3.3 Моделирование зажигания смеси

2.3.4 Полный набор определяющих параметров
3 Численная модель турбулентного горения пылевоздушной смеси 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 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 пылевой фазы и расчет межфазных потоков
3.2.1 Расчет одного шага по времени движения модельной частицы .
3.2.2 Расчет потоков от одной модельной частицы
3.2.3 Расчет энергии зажигания, приходящейся на модельную частицу и на узел эйлеровой сетки
3.2.4 Расчет величины шага по времени
3.2.5 Стратегия расчета одного шага по времени
3.2.6 Параметры численной модели
4 Результаты вычислений
4.1 Расчет сгорания органической пыли в закрытом объеме
4.1.1 Температура газа и скорости реакций
4.1.2 Концентрация метана и кислорода
4.1.3 Интенсивность межфазного массообмена и температура частиц .
4.1.4 Распределение плотности газа
4.1.5 Интегральные параметры горения в зависимости от времени
4.2 Верификация теоретической модели. Расчеты при различных значениях определяющих параметров
4.2.1 Верификация теоретической модели
4.2.2 Зависимость скорости распространения пламени и давления в
камере от различных значений определяющих параметров
4.2.3 Чувствительность зажигания к изменениям определяющих параметров
Заключение
Список литературы

Введение
Актуальность темы. В энергетике, металлургии, в угольной, химической, текстильной, пищевой и некоторых других отраслях промышленности многие технологические процессы связаны с выделением большого количества пыли. Часть этой пыли в процессе работы может попадать в рабочее помещение, смешиваясь с атмосферным воздухом, даже при наличии местной и общей вентиляции. При определенных условиях пыле - воздушная смесь может вспыхнуть. Широко известны последствия вспышек угольной пыли в шахтах, взрывов на элеваторах и в хлебопекарнях и т.д. Эти взрывы всегда влекут значительные материальные затраты и иногда приводят к человеческим жертвам.
В то время как для горения газо-воздушных смесей в настоящее время известны достаточно надежные методы математического моделирования, механизм процессов зажигания и горения воздушно-пылевых и гибридных (воздушно - пыле - газовых) смесей до конца еще не разработан. Это связано со многими сложностями, лежащими в основе процесса гетерогенного горения, которые затрудняют применение традиционных методов механики сплошной среды к моделированию этих процессов. Основными факторами, увеличивающими сложность математического моделирования этой проблемы, являются следующие: турбулентность, двухфазная среда с полидисперсно распыленной конденсированной фазой, и физико-химические процессы в обоих фазах и на межфазной поверхности. Весьма сложным является даже отдельное рассмотрение каждого из этих факторов, а их сочетание усиливает эту сложность многократно. Именно в связи со сложностью математического моделирования, требующего почти во всех случаях применения мощной вычислительной техники, эта проблема в настоящее время является одной из интенсивно развивающихся.
Настоящая работа посвящена как теоретическим, так и программно - алгоритмическим аспектам моделирования горения воздушно - пылевых смесей. В работе подробно рассматриваются этапы построения математической модели и ее численного представления; приведены результаты расчетов для случая осесимметричного горения в закрытом объеме, которые сравниваются с экспериментальными данными.
Цели и задачи исследования. Проблема, решаемая настоящим исследованием - разработка математической модели горения пылевоздушных смесей в рамках эйлерово - лагранжева подхода с учетом турбулентности течения, полидисперсности смеси и физико-химических превращений как в газовой фазе, так и на межфазной поверхности. Эйлерово - лагранжевый подход представляет собой описание газовой фазы в рамках подхода Эйлера с использованием разностной сетки для численного представления полей переменных параметров. Для описания диспергированной фазы используется подход Лагранжа без введения разностной сетки, вместо этого реальные пылевые частицы группируются по признаку сходных свойств и расположения в модельные частицы, каждая из которых представляет собой множество однотипных реальных. Подобный подход легко позволяет задавать и исследовать смеси, в которых диспергированная фаза состоит из частиц со значительной разницей в размерах, массе и физико-химических свойствах (то есть полидисперсные смеси).

Глава
Математическая модель турбулентного горения пыле -воздушной смеси в закрытом сосуде
Модель, которая строится в настоящей диссертации, обладает следующими особенностями.
• Применяется Эйлеров подход к описанию газовой фазы и Лагранжев подход к описанию пылевой фазы. Поскольку в процессе горения пылевоздушной смеси существует значительный межфазный тепломассообмен, то возникает проблема пересчета потоков с Эйлеровых координат на Лагранжевы и наоборот. Проблема решается методом сбора данных по лагранжевым потокам в эйлеровы ячейки с дальнейшим применением особого алгоритма сглаживания. Помимо этого, при достаточно большом значении межфазного обмена энергией и импульсом, имеется проблема возможной численной неустойчивости из-за пошаговой раскачки потока импульса. Проблема будет решаться наложением дополнительных ограничений на шаг по времени.
• Течение в сосуде, в котором происходит горение, является турбулентным. При этом возникает необходимость моделирования турбулентного течения как в газовой, так и в пылевой фазе. В настоящей диссертации для газовой фазы применяется ка-эпсилон модель турбулентности (в ее модификации для сжимаемой многокомпонентной среды), а турбулентное движение пылевой фазы моделируется силой Ланжевена специального вида.
• Горение в системе идет как на поверхности пылевых частиц, так и в газовой фазе. В настоящей диссертации рассмотрен сокращенный механизма реакций в газовой фазе (три независимые химические реакции), причем состав многокомпонентной смеси горючих газов, выделяющейся при пиролизе пылевых частиц,