Кинетический расчет параметров ячеистой структуры газовой детонации и основных свойств пламени

• Автор: Гавриков, Андрей Игоревич
• Шифр специальности: 01.04.17
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 80 с.

Оглавление
1. Введение
2. Химическая кинетика и параметры устойчивости как факторы, определяющие размер детонационной ячейки

2.1. Условия протекания реакций в одномерной ЗНД модели

2.2. Ширина реакционной зоны и размер детонационной ячейки при многомерном компьютерном моделировании

2.3. Ширина зоны реакции и размер детонационной ячейки для водородных смесей

2.4. Константа А как функция параметров устойчивости

2.5. Результаты

3. Получение основных свойств пламени из данных по ламинарным скоростям горения

3.1. Основные свойства пламени и их применение

3.2. Математическое моделирование горения с использованием детальной химической кинетики
3.3. Получение основных свойств пламени из данных по ламинарным скоростям горения
3.4. Толщина ламинарного пламени
3.5. Свойства искривленного пламени
3.6. Результаты
4. Заключение
Список литературы

1. Введение
В настоящее время большое количество горючих газов хранится, транспортируются и используются как источник энергии. При этом водород рассматривается в качестве перспективного энергоносителя. На различных стадиях технологического цикла возможны как плановые, так и аварийные выбросы водорода в атмосферу, скопление его в помещениях и т. п. Выделение водорода также возможно при штатной эксплуатации и в аварийных ситуациях на атомных электростанциях. Авария с выделением и взрывом водорода под защитной оболочкой реактора на американской атомной электростанции Three-Mile Island в 1979 году представляет собой характерный пример возможной аварийной ситуации. Этот аварийный случай дал толчок началу детальных исследований по водородной безопасности в атомной энергетике.
Плановое образование и горение топливовоздушных смесей не представляет особого интереса с точки зрения безопасности, так как эти процессы происходят при регламентированных технологических условиях. В то же время некоторые специфичные физические свойства водорода, такие как: летучесть, отсутствие цвета и запаха, широкие пределы воспламенения накладывают определенные условия на правила техники безопасности и требуют максимально точной оценки последствий аварийных ситуаций.
При аварийном выбросе водорода наиболее вероятен следующий порядок развития событий: а) выброс водорода, б) образование смеси водорода с воздухом, способной к воспламенению и горению, в) горение водородовоздушной смеси. Каждый из пунктов представляет собой очень сложный физический процесс и требует отдельного тщательного исследования. При аварийной ситуации конвекция и искусственная

вентиляция внутри помещений может существенно ускорить процесс образования облака топливовоздушной смеси и увеличить его размеры. Если в процессе аварии образуется достаточное количество водорода и происходит воспламенение водородовоздушной смеси, то в дальнейшем возможны несколько режимов распространения пламени: 1) медленное горение, 2) быстрое турбулентное горение и 3) переход горения в детонацию. В большинстве случаев медленное горение характеризуется низкой амплитудой волн давления и практически не представляет собой опасности для помещений, защитных оболочек АЭС и оборудования. Другие режимы - быстрое турбулентное горение и детонация образуют волны давления высокой амплитуды. Из всех вышеперечисленных режимов детонация считается наиболее опасной. Существенное различие в давлении и импульсе образующихся волн давления требуют максимально точной оценки границ условий возможности существования каждого из режимов.
При проектировании установок и устройств можно применять как аналитические оценки степени риска аварийных ситуаций, так и экспериментальные исследования и численное моделирование предполагаемых взрывных процессов. Однако, не всегда есть возможность провести прямые натурные эксперименты в каждом конкретной случае. Выходом из создавшегося положения является разработка аналитических методов и моделей, пригодных для оценки взрывобезопасности. Для того, чтобы быть уверенными в правильности этих оценок, необходима детальная верификация этих моделей на основе имеющихся экспериментальных данных в интересуемом диапазоне начальных условий. Экспериментальные и теоретические исследования возможных режимов горения, детонации и связанных с ними параметров ударных волн и воздействия на окружающее пространство проводились

скоростями Di и D2. Следующие диапазоны скоростей (Di/DCJ- + D2/DCj) пробовались в расчётах:
(1.0+1.4); (1.0+ 1.6); (1.2+1.4); (1.2+1.6).
Лучшая корреляция между экспериментальными размерами ячейки и вычисленной шириной зоны реакции была достигнута для следующего набора параметров (Dl/DCj=l .0 и D2/DCj=1.6), что соответствует самому широкому диапазону условий. Также обнаружили небольшую разницу при различном определении характерного времени реакции. Во всех случаях значение S при t(0.5) дало лучшую корреляцию, чем при t(0.9).
Отношение X/5, вычисленное при t(0.5) и (Di/DCj=1.0 и D2/DCj=1.6), представлено на Рис. 9 как функция Ea/RTps и Tvn/T0 для паро-водородо-воздушных смесей при различных начальных давлении и температуре (тот же набор экспериментальных данных, что и на Рис. 6). Температура Tps за ударным скачком со средней скоростью D = (D!+D2)/2 использовалась для определения безразмерной энергии активации.
Рисунок 9 показывает, что константу А можно рассматривать как функцию эффективной энергии активации. Следует заметить, что отношение Х/Ь уменьшается с уменьшением Ea/RTps. Даже без учёта второго параметра устойчивости Tvn/To разброс данных на Рис. 9 близок к разбросу в экспериментальных данных X. Также видно, что точки на Рис. 9 легко группируются по параметру Tvn/T0. Такое поведение позволяет надеяться, что может быть построена функция Â/ô(E,,/RTps, Tvn/T0) позволяющая коррелировать размер ячейки с характерным масштабом химической длины и параметром устойчивости, рассчитанными по модели детальной химической кинетики.