Теплофизические и гидрогазодинамические эффекты при горении газов и ракетных топлив

• Автор: Сабденов, Каныш Оракбаевич
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 299 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1 РЕТРОСПЕКТИВНЫЙ АНАЛИЗ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ТЕМЕ 15 ДИССЕРТАЦИИ
1.1 Краткая историческая справка и основные положения теории пламени
1.1.1 Основные соотношения и принципы
физики горения
1.1.2 Ламинарное пламя как термодинамическая
неравновесная система
1.1.3 Гидродинамическая неустойчивость пламени
1.1.4 Диффузионно-тепловая неустойчивость пламени
1.2 Существующие подходы к описанию турбулентного горения газов и в моделировании перехода медленного горения
в детонацию
1.2.1 Негативные проявления турбулентного горения
1.2.2 Поверхностная модель турбулентного горения
1.2.3 Статистические и полуэмпирические модели
1.2.4 Скорость турбулентного пламени
и переход горения в детонацию
1.2.5 Множества дробной размерности
1.2.6 Особенности распространения пламени в трубах
1.3.1 Горение порохов и твердых ракетных топлив
1.3.1 Кинетика химической реакции
1.3.2 Нестационарные процессы при горении
Конденсированных веществ
1.3.3 Феноменологическая теория нестационарного горения порохов
и ракетных топлив
1.3.4 Учет малоинерционных эффектов
1.3.5 Нестационарное горение как динамическая система
1.4 Физико-математические задачи охраны окружающей среды
1.4.1 Элементы теории переноса в атмосфере
1.4.2 Мелкодисперсные частицы в устойчиво стратифицированной жидкости
1.4.3 Интрузия при малых числах Рейнольдса
1.4.4 Очистка газов от вредной пыли и аэрозоли
2 СТРУКТУРА И УСТОЙЧИВОСТЬ ЛАМИНАРНОГО ПЛАМЕНИ
Основные обозначения в главе
2.1 Уравнения простейшей теории ламинарного горения
2.2 Теорема о минимуме производства энтропии
в теории ламинарного пламени
2.3 Плоское ламинарное пламя
2.3.1 Реакция нулевого порядка. Произвольные числа Льюиса
2.3.2 Реакций произвольного порядка. Большие числа Льюиса
2.3.3 Реакции произвольного порядка. Число Льюиса Бе
2.4 Альтернативные формы функции
Скорости химической реакции
2.5 Пространственно искривленное пламя
2.6 Неустойчивость ламинарного пламени
и возникновение турбулентного пламени
2.6.1 Проблемы, связанные с исследованием диффузионно-тепловой неустойчивости горения
2.6.2 Математическая формулировка задачи
для слабо искривленного пламени
2.6.3 Характеристическое уравнение
2.6.4 Устойчивость горения при постоянной скорости пламени
2.6.5 Устойчивость горения при переменной скорости пламени
2.7 Новая формулировка задачи устойчивости пламени
2.8 Сравнительный анализ результатов решения задачи
о диффузионно-тепловой неустойчивости пламени
Выводы к главе
3 ТЕОРИЯ ПЕРЕХОДА МЕДЛЕННОГО ГОРЕНИЯ
В ДЕТОНАЦИЮ В ГАЗАХ
Основные обозначения в главе
3.1 Элементарная модель перехода медленного горения
в детонацию
3.2 Новая аксиоматическая
теория горения газов
3.2.1 Математический аппарат и формулировка основных соотношений
3.2.2 Система уравнений газовой динамики горения
3.2.3 Результаты моделирования перехода медленного горения
в детонацию
3.3 Ускорение турбулентного пламени при сверхзвуковых
скоростях движения
3.3.1 Особенности перехода медленного горения
в детонацию по модели раздела
3.3.2 Математическая модель ускоряющегося сверхзвукового турбулентного пламени
3.3.3 Сравнение теоретических выводов с экспериментальными
данными
Выводы к главе
4 ОСОБЕННОСТИ ГОРЕНИЯ ТВЕРДЫХ РАКЕТНЫХ ТОПЛИВ
И ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ
Основные обозначения в главе
4.1 Нестационарное горение как динамическая система
4.1.1 Вывод общего уравнения для малых нелинейных колебаний
температуры поверхности

4.1.2 Нелинейный резонанс
4.1.3. Явление синхронизации частот
4.1.4 Параметрический резонанс
4.2 Формулировка феноменологического подхода в теории нестационарного горения с ненулевым временем релаксации газовой фазы
4.3 Аналитическая теория устойчивости горения твердого топлива
с реакцией пиролиза конденсированного вещества
4.3.1 Физическая формулировка задачи
4.3.2 Математическая формулировка задачи.
Стационарные решения
4.3.3 Уравнения для слабо возмущенной системы
4.3.4 Дисперсионное соотношение
4.3.5 Результаты расчета и их анализ
4.4 Горение при переменном давлении
4.4.1 Нестационарная скорость горения
4.4.2 Акустическая проводимость
4.5 Детальное описание газовой фазы. Нелинейные явления
4.5.1 Возможность отрицательных значений коэффициентов к и г
4.5.2 Постоянное давление
4.5.3 Воздействие на горение переменным давлением
4.5.4 Горение в полузамкнутом объеме
4.6 Феноменологическая теория нестационарного горения на основе
эффективной начальной температуры
Выводы к главе
5 ЧАСТНЫЕ ПРИКЛАДНЫЕ МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ЗАДАЧИ
ОХРАНЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Основные обозначения в главе
5.1 Турбулентное облако загрязняющих веществ в устойчиво стратифицированной атмосфере
5.1.1 Эволюция турбулентного облака большого размера
в устойчиво стратифицированной атмосфере
5.1.2 Расчет выпадения на поверхность земли
частиц загрязняющих веществ из облака
5.2 Барботаж пылегазовых смесей
5.2.1 Гидродинамическое течение в растущем газовом пузыре
при малых числах Рейнольдса
5.2.2 Расчет коэффициента проскока
Выводы к главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ, ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
И ВЫВОДЫ
Список литературы

где с — неизбежно возникающая поправочная константа, численное значение ее подбирается согласованием теоретических и экспериментальных результатов. Строго говоря, функциональная форма в правой части этого равенства будет справедлива только лишь в малой окрестности времени гй, если рассматривается нестационарный процесс, и в конкретной выбранной точке пространства, если турбулентный процесс еще и неоднороден по пространству. Несмотря на отмеченные принципиальные сложности и противоречивости метода Фридмана-Келлера, во многих случаях соотношения, подобные (1.2.4), дают удовлетворительные результаты. По видимому, это связано с наличием пространственно-временного подобия в турбулентных течениях, оставляющих хотя бы приближенно справедливыми замыкания типа (1.2.4) на достаточно больших интервалах времени и расстояния.
Для замыкания соответствующих уравнений наиболее часто используются гипотезы Л. Прандтля и А.Д. Колмогорова о локально однородной и изотропной турбулентности и связь между турбулентной кинетической энергией и скоростью ее диссипации. Наибольшей популярностью пользуется «£-г»-модель или ее различные модификации [110, 112, 114, 115].
Основные физические идеи, сформулированные в гидродинамике несжимаемой жидкости, перекочевали в газовую динамику химически реагирующих сред, в теорию турбулентного переноса в физике атмосферы и океана [33]. Дополнением к понятию турбулентной вязкости стали турбулентная диффузия и теплопроводность [20, 110, 112, 156, 157].
Сложности, связанные с ясной физической трактовкой, оценкой и выражением корреляции от различных пульсационных величин через средние величины в газовой динамике горения возрастают в связи с наличием химической реакции, переменности плотности, температуры, концентрации реагирующих веществ. Даже в самом простом одномерном (например, по координате х) уравнении неразрывности при переходе к средним величинам появляющийся дополнительно новый член д(гi'f>)/5x не поддается достоверной оценке. Еще более сложная ситуация складывается при записи уравнений сохранения импульса, энергии и каждого участвующего в реакции вещества. По этой причине, поиск уравнений турбулентного горения, наиболее достоверно описывающих изучаемый процесс, ведется в направлении их предельного упрощения путем отбрасывания членов, появление которых обусловлено турбулентностью. При этом удерживаются только те из них, без которых наблюдаемая в экспериментах физическая картина в теории не может быть реализована даже на качественном уровне.
Такой подход использовался в работах H.H. Смирнова и И.И. Панфилова [144, 145], где впервые был смоделирован переход медленного горения в детонацию в газах. Серьезным недостатком модели [145] можно считать отсутствие зависимости времени tD и расстояния R0 перехода в детонацию от диаметра трубы.
В этом отношении более последовательной является модель Андреева -Степанова [143], которая хотя и не дает самого перехода медленного горения в детонацию, но реалистична по теплофизическим и гидродинамическим