Исследование структуры и скорости распространения водородно-, метано- и пропано-кислородных пламен с добавками триметилфосфата методом численного моделирования

• Автор: Большова, Татьяна Анатольевна
• Шифр специальности: 01.04.17
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 152 с. : ил.

Глава 1. Литературный обзор

1.1.Моделирование горения газофазных систем

1.1.1. Константы скорости химических реакций для моделирования горения

1.1.2. Многообразие механизмов химических реакций в пламенах

1.1.3. Окисление водорода при высоких температурах

1.1.4. Высокотемпературное окисление углеводородов

1.2. Механизмы влияния химически активных добавок на пламя

1.3. Анализ существующих механизмов реакций превращения фосфорорганических

веществ в пламенах

Глава 2. Методологический подход

2.1. Программное обеспечение для моделирования горения

2.2.'PREMIX: программа для моделирования ламинарных пламен предварительно перемешанной смеси
2.2.1. Постановка задачи для программы PREMIX
2.2.2. Математическое описание ламинарных плоских перемешанных пламен
2.2.4. Различные представления для констант скорости реакции
2.2.5.Задание транспортных свойств
2.2.5.1 Транспортные свойства для усредненной смеси
2.2.5.2 Транспортные свойства многокомпонентных смесей
2.2.6. Численный метод решения
2.2.6.1. Метод конечных разностей
2.2.Ö.2. Граничные условия
2.2.6.3. Оценки старта
2.2.6.4. Задание температурного профиля
2.2.7. Анализ механизмов реакций
2.2.7.1. Анализ чувствительности
2.2.7.2. Анализ путей реакций
2.3. EQUIL: программа для вычисления химического равновесия
Постановка задачи
Глава 3. Результаты моделирования
3.1. Механизмы разложения и горения фосфорорганических соединений в пламенах
3.1.1. Фосфорорганические соединения
3.1.2. Механизм превращений ТМФ в пламени
3.2. Влияние ФОС на структуру и скорость распространения водороднокислородных пламен
3.2.1. Моделирование стабилизированных на плоской горелке водороднокислородных пламен при низком давлении без добавки и с добавкой 0,2% ТМФ
3.2.2. Структура пламени Н2/О2/АГ (26/1.3/61) с добавками ТМФ различной концентрации при давлении 47,5 mopp
3.2.3. Скорость свободного распространения пламени водородно-кислородной смеси с добавкой ТМФ малой концентрации при давлениях 47,5 mopp, 76 mopp и 760 mopp (1атм)
3.2.4. Концентрация атомов и радикалов в зоне продуктов горения
3.3. Влияние ФОС на структуру и скорость горения метано-кислородных смесей при давлении 76 mopp и 1атм
3.3.1. Метано-кислородное разреженное пламя
3.3.2. Атмосферное метано-кислородное пламя
3.3.2.1. Расчет термодинамически равновесного состояния.
Адиабатическая температура метано-воздушной смеси различного состава с добавкой ТМФ
3.3.2.2. Равновесный состав основных компонентов метано-кислородной смеси различного состава
3.3.2.3. Равновесный состав фосфорсодержащих компонентов метанокислородных смесей различного состава при давлении 1атм
3.3.3. Влияние добавки ТМФ (0,035% и 0,22%) на структуру бедного метанокислородного пламени прир=1 атм
3.3.4. Структура богатых метано-кислородных пламен без добавки и с добавками 0,22%i ТМФ прир=1атм
3.3.5. Анализ разложения ТМФ по механизму Глода-Вестбрука
3.3.6. Концентрация радикалов и атомов в зоне продуктов сгорания в метано-кислородных пламенах без добавки и с добавкой ТМФ при 1 атм
3.3.7. Влияние добавки ФОС на скорость ламинарного пламени предварительно перемешанной метано-воздушной смеси при давлении 1 атм
3.3.7.1. Моделирование скорости распространения пламени метано-воздушной смеси при давлении 1 атм
3.3.7.2. Влияние добавки ФОС на профиль температуры
3.3.7.3. Влияние добавки на скорость пламени в метано-воздушной смеси различного состава
3.4....Влияние ФОС на структуру и скорость пламени пропано-кислородных смесей при давлении 1 атм
3.4.1. Структура стабилизированных пламен пропано-кислородных смесей различного состава с добавками ТМФ и без добавки при р=1атм
3.4.2. Скорость ламинарных пламен пропано-воздушных смесей с добавками ТМФ
прир=1 атм
Заключение по использованию механизмов
Основные результаты и выводы
Приложение
Литература

Исследование механизма деструкции фосфорорганических соединений (ФОС) в пламенах представляет значительный интерес как с фундаментальной, так и с практической точки зрения. Знание реальных физико-химических процессов, происходящих при горении ФОС, необходимо для решения фундаментальной научной проблемы состоящей в построении моделей горения как самих ФОС, так и горючих смесей с добавками ФОС, основанных на реальной кинетике. Понимание механизма химических превращений в пламенах на уровне детальной кинетики необходимо для создания моделей горения и ингибирования горения, которые способны предсказать такие характеристики горения как скорость свободного распространения пламен, структуру пламени, пределы горения и воспламенения, температуру пламени и состав продуктов горения. Это дает возможность с одной стороны, управлять скоростью процесса горения, замедляя или ускоряя этот процесс и обеспечивая минимальный уровень токсичных веществ в выбросах продуктов горения, а с другой стороны, упростить поиск новых эффективных ингибиторов.
Интерес к химии горения ФОС связан с проблемой уничтожения сжиганием пестицидов, токсичных химических отходов и других опасных веществ, в том числе, таких как зарин, являющийся одним из компонентов химического оружия, с возможностью применения ФОС в прямоточных воздушно-реактивных двигателях, основанных на сверхзвуковом горении водорода, а также как ингибиторов горения. Эти соединения находят важное применение также как добавки, снижающие горючесть полимеров.
В последнее время интерес к ФОС значительно возрос в связи с запрещением Монреальским протоколом производства в качестве пламегасителей ряда хладонов (в том числе СР3Вг), разрушающих озонный слой атмосферы. Малые добавки ФОС способны оказывать сильное влияние на горение таких хорошо изученных систем как Н2/02/Аг, СН4/02/Аг, С3Н8/02/Аг, замедляя процесс горения. Однако механизм ингибирования не вполне ясен, а кинетическая модель на основе детальной кинетики, способная предсказывать структуру пламени и скорость его распространения, не разработана. Одним из типичных представителей ФОС является триметилфосфат (ТМФ), который служил предметом ряда предыдущих
Глава 2. Методологический подход.

диффузии. Описание оценок, используемых в программе, можно найти в [99]. По усмотрению пользователя можно выбрать оценку транспортных свойств либо использующую формулы для усредненной смеси, либо модель мультикомпонентной диффузии.
В большинстве случаев, межмолекулярные взаимодействия могут быть
(-Г-(-)6
г г
Г{г)
описаны потенциалом Леннарда-Джонса г г 3. Этот потенциал
характеризуется диаметром молекулы ° и глубиной межмолекулярного потенциала Е. Они применяются для определения приведенных интегралов столкновений, которые необходимы для вычисления факторов, учитывающих отклонение от идеальной модели взаимодействия жестких сфер.
2.2.5.1 Транспортные свойства для усредненной смеси.
Формула для диффузионной скорости смеси ** состоит из трех слагаемых
Г,-Ч,ЫГ,+К' (2.22)
* - обычная диффузионная скорость, * (2.23)

где * - мольная доля компонента, и где коэффициент диффузии усредненной смеси '°*и дан в терминах бинарных коэффициентов диффузии
А. =

km к
** . (2.24)
Скорость термодиффузии считается ненулевой только для частиц с низким молекулярным весом, таких как Н, Н2 и Не.
w = Dkm® k 1 ОТ
Xt TdX' (2.25)
где - коэффициент термодиффузии.
коррекционная поправка, которая не зависит от компонентов, функция расстояния х. Она обеспечивает сумму массовых фракций равной единице (или YV
что эквивалентно к к ). Эта поправка рекомендована Коффе и Хеймерл