Моделирование испарения и горения капель в газовом потоке

• Автор: Сметанюк, Виктор Алексеевич
• Шифр специальности: 01.04.17
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 120 с. : ил.

1. Глава 1. Современное состояние исследований по испарению и горению капель и струй

2. Глава 2. Модель испарения, горения и самовоспламенения одиночной капли

2.1. Постановка задачи

2.1.1. Основные уравнения и метод решения

2.1.2. Теплофизические свойства жидкости и газа

2.1.3. Граничные и начальные условия

2.2. Результаты расчетов

2.2.1. Сопоставление результатов расчетов с опытными данными

2.2.2. Влияние давления

2.2.3. Влияние размера капли

2.2.4. Самовоспламенение капли

2.2.5. Горение
3. Глава 3. Влияние коллективных эффектов на испарение и горение капель
3.1. Постановка задачи и метод решения
3.2.Результаты расчетов
3.2.1. Испарение капель в газовзвеси
3.2.2. Самовоспламенение капель
3.2.3. Горение капель
4. Глава 4. Влияние внутренней циркуляции жидкости на время испарения капли
4.1.Теплообмен сферической капли с газовым потоком
4.1.1. Постановка задачи и метод решения
4.1.2. Результаты расчетов
4.1.3. Замечания
4.2.Теплообмен деформированной капли с газовым потоком
4.2.1. Постановка задачи и метод решения

4.2.2. Результаты расчетов
4.3. Механизм микровзрыва капли двухкомпонентного топлива
4.3.1. Постановка задачи
4.3.2. Результаты расчетов
5. Глава 5. Моделирование взаимодействия капли с газовым потоком
5.1. Введение
5.2. Постановка задачи и метод решения
5.3.Результаты расчетов
Выводы
Список литературы

В большинстве энергопреобразующих устройств тепловыделение происходит при сжигании капель жидкого топлива. Подача топлива в камеру сгорания в виде жидких струй приводит к появлению относительной скорости фаз и дроблению струй. Дробление струй и капель рассматривают как один из важнейших факторов, влияющих на характеристики энергопреобразующих устройств. Значительное увеличение удельной поверхности капель, вызванное их фрагментацией, приводит к увеличению межфазного массообмена и влияет на удельную (объемную) скорость горения. Взаимодействие капель с газовым потоком определяется, с одной стороны, свойствами жидкости, размерами и формой капель и расстоянием между соседними каплями, а с другой стороны -локальными свойствами газового потока. Ситуация осложняется тем, что фазы оказывают взаимное динамическое и тепловое влияние друг на друга. В литературе имеются сотни публикаций, в которых эти взаимодействия изучаются экспериментально и теоретически.
В настоящее время испарение, самовоспламенение (зажигание) и горение капель жидких топлив в камерах сгорания поршневых и реактивных двигателей моделируют без учета многих из указанных выше факторов. Динамическое и тепловое воздействие капель на течение связывают с осредненными межфазными потоками массы, количества движения и энергии. Капли считают точечными источниками паров горючего. При моделировании процессов смешения паров горючего с газом, окружающим капли, используют модели микросмешения, не учитывающие различие коэффициентов молекулярной диффузии компонентов и конечную глубину проникновения диффузионных потоков. Последнее выражается в том, что в численных расчетах испаренное горючее равномерно смешивается с газом, заполняющим расчетную ячейку, размер которой на несколько порядков превышает размеры капель. Как следствие, химические превращения в двухфазной среде представляются объемными процессами в расчетной ячейке, заполненной смесью испаренного горючего, окислителя, промежуточных продуктов реакций и инертных веществ.
Таким образом, размер расчетной ячейки становится важным искусственным параметром решаемой задачи, от значения которого во многом зависит динамика локальных и интегральных характеристик всего изучаемого

видимому, это связано с отсутствием учета конвективного тепло- и массообмена, наблюдаемого в экспериментах в виде отклонения формы пламени от сферически-симметричной.
Результаты расчетов хорошо согласуются с экспериментальными данными по горению капель н-декана [133]. На рис. 2.9 и 2.10 показано сравнение результатов с экспериментальными данными по изменению диаметра капли (рис. 2.9 и диаметра пламени рис. 2.10).
13 ■ь'
0.0 0.2 0.4 0.6 0,8 1,0 1.2 1.4 1,6
1/С
Рис. 2.9: Сравнение расчета (кривая) и экспериментальных данных [131] (вертикальные) временной зависимости диаметра капли в случае горящей капли н-гептан в условиях микрогравитации.
Рис. 2.10: Сравнение расчета (кривая) и экспериментальных данных [131] (вертикальные) пламени в случае горящей капли н-гептан в условиях микрогравитации.
В приведенных выше расчетах максимальная температура газа, достигаемая в течение жизни капли, изменялась в промежутке от 1800 до 2200 К. Модель позволила обнаружить несколько важных особенностей в поведении и структуре фронта пламени вокруг капли. Во-первых, обнаружено, что между поверхностью капли и фронтом пламени, т.е. в области, обогащенной парами горючего, образуется сажевая оболочка. Во-вторых, после воспламенения пламя