Математическое моделирование самовоспламенения частиц металлов и капель жидких углеводородов

• Автор: Фролов, Федор Сергеевич
• Шифр специальности: 01.04.17
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 144 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Глава 1: Классические представления и обзор литературы
1.1 Самовоспламенение металлических частиц
1.2 Самовоспламенение капель жидких углеводородов
1.3 Выводы
Глава 2: Нестационарный теплообмен твердых частиц с газом
2.1 Предварительные замечания
2.2 Постановка задачи
2.3 Результаты сравнительных расчетов
2.4 Обсуждение результатов
2.5 Выводы
Глава 3: Нестационарный теплообмен и испарение капель
3.1 Предварительные замечания
3.2 Постановка задачи
3.3 Проверка гипотезы о температуре поверхности
3.4 Результаты сравнительных расчетов
3.5 Выводы
Глава 4: Воспламенение частиц металлов
4.1 Предварительные замечания
4.2 Постановка задачи для частицы магния
4.3 Решение прямой задачи о воспламенении частицы магния
4.4 Решение обратной задачи о воспламенении частицы магния
4.5 Решение прямой задачи о воспламенении частицы магния
с уточненными кинетическими параметрами
4.6 Решение прямой задачи о воспламенении частицы магния с учетом плавления металла
4.7 Постановка задачи для частицы алюминия
4.8 Решение прямой задачи о воспламенении частиц алюминия

4.9 Решение обратной задачи о воспламенении частицы алюминия
4.10 Выводы
Глава 5: Воспламенение и горение капель
5.1 Предварительные замечания
5.2 Постановка полной задачи для капли в газовзвеси
5.3 Решение полной задачи для капли в газовзвеси
5.4 Корреляции между испарением и самовоспламенением капель
в газовзвеси
5.5 Новая модель самовоспламенения капель в газовзвеси
5.6 Результаты расчетов
5.7 Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время при моделировании самовоспламенения частиц или капель в различных энергопреобразующих устройствах, работающих на твердом или жидком топливе, а также в волнах гетерогенной детонации, как правило, используются эвристические критериальные соотношения, не учитывающие сложное тепловое, динамическое и химическое взаимодействие фаз в плотных струях и газовзвесях. Однако эти факторы могут существенно повлиять на время и место самовоспламенения, а также на объем смеси, охваченной вспышкой самовоспламенения. Поскольку самовоспламенение — одно из ключевых явлений, определяющих конструктивные особенности, габариты и режимные параметры современных дизелей, горелок и камер сгорания летательных аппаратов, необходимы адекватные физико-математические модели этого явления, допускающие применение в многомерных газодинамических расчетах. Этим обусловлена актуальность темы диссертационной работы.
Цель работы — создание и тестирование физико-математических моделей самовоспламенения частиц металлов и капель жидких углеводородов, учитывающих нестационарные и коллективные эффекты при межфазном взаимодействии, для использования в многомерных численных расчетах многофазных реагирующих течений.
Научная новизна. В диссертации (1) разработаны и проверены новые модели самовоспламенения частиц магния и алюминия, учитывающие нестационарный характер теплообмена между газом и частицей, а также отличие температуры поверхности частицы от средней температуры в течение периода индукции; (2) разработана и проверена новая модель прогрева и испарения капли жидкости, учитывающая нестационарный характер тепло- и масссооб-мена между газом и каплей, неоднородное распределение температуры внутри и в окрестности капли, а также экранирующее влияние соседних капель в плотной капельной газовзвеси; (3) на основе численного решения полных со-
ГЛАВА 2: НЕСТАЦИОНАРНЫЙ ТЕПЛООБМЕН ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ
С ГАЗОМ
Ниже рассмотрена задача о прогреве твердой сферической частицы. Предложена новая модель прогрева частицы. Проведено сравнение расчетов по (1) полной сопряженной, (2) стандартной и (3) новой моделям. Показано, что новая модель значительно лучше согласуется с расчетами по полной модели, чем стандартная.
2Л Предварительные замечания I
В современных вычислительных газодинамических пакетах используют простейшие стандартные модели теплоообмена между твердыми частицами и окислительным газом, основанные на законе теплоотдачи Ньютона [75], и модели воспламенения и горения частиц, основанные на макрокинетиче-ских уравнениях Аррениусовского типа [45, 111]. Многие допущения, принимаемые в стандартных моделях, не всегда обоснованы.
Например, известно, что закон теплоотдачи Ньютона справедлив лишь для установившихся течений [112]. Последствия его применения к нестационарным задачам теплового взрыва, а также к задачам прогрева и воспламенения частиц не исследованы. Кроме того, в стандартных моделях прогрева и воспламенения частиц в законе Ньютона используют среднюю температуру частиц, а не температуру их поверхности. Следовательно, теплопроводность материала частицы считают бесконечной, что не всегда оправдано. Для расчета конвективной теплоотдачи между газом и частицей применяют эмпирические зависимости типа соотношения Ранца-Маршалла [113], которые также получены в условиях установившегося течения. Возможность применения таких соотношений к задачам нестационарного обтекания частиц также не исследована. Что касается макрокинетических законов воспламенения частиц, то они, как правило, выводятся из сопоставления расчетных и измеренных задержек самовоспламенения образцов исследуемых материалов. При этом искомые макрокинетические параметры (предэкспоненциальные мно-