Национальный цифровой ресурс Руконт - межотраслевая электронная библиотека (ЭБС) на базе технологии Контекстум (всего произведений: 634840)
Контекстум
Руконтекст антиплагиат система
Физика горения и взрыва

Физика горения и взрыва №2 2000 (308,00 руб.)

0   0
Страниц130
ID200384
АннотацияЖурнал публикует статьи с результатами оригинальных экспериментальных и теоретических исследований в следующих разделах: горение в газах и конденсированных средах детонация конденсированных взрывчатых веществ, газов и гетерогенных систем получение новых материалов методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, ударными и детонационными волнами высокоскоростной удар, динамическое нагружение материалов и конструкций сварка взрывом и детонационное напыление
Физика горения и взрыва : Научный журнал .— Новосибирск : Издательство Сибирского отделения Российской академии наук .— 2000 .— №2 .— 130 с. : ил. — URL: https://rucont.ru/efd/200384 (дата обращения: 27.04.2024)

Предпросмотр (выдержки из произведения)

Для исключения влияния способа инициирования на горение газовзвеси в численных экспериментах горение газовзвеси инициировали волной горения газа. <...> Расстояние l выбирали так, чтобы после зажигания газовой смеси волна горения вышла на стационарный режим распространения в газовой смеси, свободной от частиц горючего. <...> Они быстро прогреваются в волне горения и на фоне реакции в газовой фазе при повышении температуры в волне горения на поверхности частиц инициируется гетерогенная реакция. <...> Зависимости стационарной безразмерной скорости распространения пламени от массовой концентрации дисперсной фазы при различных соотношениях концентраций окислителя и горючего (а) и различных значениях энергии активации гетерогенной химической реакции (б) для частиц разного диаметра: γ = 0,1, β = 0,05, Le = 1, NuD /NuT = 1, C = 2,5, µ = 0,25, δ = 5; а — пунктирные линии — Y1,0 = 0,0349 (избыток окислителя), сплошные — Y1,0 = 0,0402 (стехиометрическая смесь), штриховые — Y1,0 = 0,045 (недостаток окислителя); б — E = 0,33 (сплошные линии), 0,66 (штриховые), 1,0 (пунктирные), ∞ (линия 1, инертные частицы) В зависимости от соотношения параметров дисперсной фазы скорость распространения волны горения различна. <...> Проанализируем влияние физикохимических параметров дисперсной фазы на стационарную скорость распространения волны горения. <...> 36, N-◦ 2 10 536.46 ВЛИЯНИЕ СРЫВА ПЛАМЕНИ НА ГОРЕНИЕ МАЛЫХ ЧАСТИЦ В АКУСТИЧЕСКИ ПУЛЬСИРУЮЩЕМ ПОТОКЕ <...> В. Н. Корнилов, Е. Н. Кондратьев Институт горения и нетрадиционных технологий Одесского государственного университета, 270100 Одесса Экспериментально исследовано горение частиц магния и титана в акустически пульсирующем потоке для случая, когда размеры частиц меньше амплитуды смещения газа в акустической волне. <...> Предлагается объяснение формы регистрируемых колебаний на основе предположения о срыве фронта пламени с лобовой точки капли. <...> Обсуждаются условия, необходимые для срыва пламени в пульсирующем потоке, а также эффекты, к которым может <...>
Физика_горения_и_взрыва_№2_2000.pdf
Физика горения и взрыва, 2000, т. 36, N◦ 2 МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПЛАМЕНИ В СМЕСИ ГОРЮЧИХ ГАЗОВ И ЧАСТИЦ А. Ю. Крайнов Томский государственный университет, 634050 Томск Сформулирована физико-математическая модель распространения пламени по газовзвеси, состоящей из смеси газов (окислителя, горючего и инертного) и частиц конденсированного вещества, гетерогенно реагирующих с окислителем. На основе численного анализа получены зависимости скорости распространения пламени от параметров, характеризующих массовую концентрацию частиц, их размер, энергию активации гетерогенной реакции на поверхности частиц, тепловой эффект гетерогенной реакции и массообмен частиц. В зависимости от соотношения параметров дисперсной фазы скорость распространения пламени в такой среде может увеличиваться в несколько раз по сравнению со скоростью пламени в незапыленной газовой смеси либо уменьшаться, и тогда влияние частиц аналогично влиянию инертной дисперсной фазы. В технологических процессах порошковой металлургии, в химической технологии, в производстве пищевых продуктов с использованием процесса сушки, в угледобывающих отраслях промышленности часто встречаются газовзвеси различной природы: взвеси инертных частиц в инертном газе; взвеси частиц, способных к экзотермическому либо эндотермическому химическому реагированию, в инертном газе; газовзвеси, в которых химическое тепловыделение может происходить в газовой фазе и на поверхности частиц. Наибольшую опасность представляют газовзвеси, способные к химическому тепловыделению. Экспериментальное исследование таких сред затруднено. Теоретическое моделирование макрокинетики реагирования позволяет выяснить основные закономерности процесса в различных условиях и опасные последствия воспламенения, проанализировать способы предупреждения возгорания и способы тушения очагов воспламенения и горения. В настоящей работе исследовано распространение фронта горения по газовзвеси, в которой экзотермические химические реакции идут в газовой фазе и на поверхности частиц дисперсной фазы с одним из компонентов газовой фазы. Такие процессы, в частности, происходят при горении метановоздушной смеси со взвешенными в ней частицами угольной пыли. Рассматривается полубесконечная газовзвесь, состоящая из смеси газов (окислителя, горючего и инертного), в которой равномерно взвешены мелкие частицы вещества, способного гетерогенно реагировать с одним из компонентов газовой смеси. Предполагается, что реакция на поверхности частиц идет с окислителем; газодисперсная смесь неподвижна; частицы имеют одинаковый размер и сферическую форму; теплообмен между частицами и газом происходит по закону Ньютона; скорость химических реакций в газе и на поверхности частиц зависит от температуры по закону Аррениуса; продуктами гетерогенной реакции на частицах являются газы; все химические реакции идут без возрастания объема; термическим расширением газовой смеси пренебрегаем; на границе области x = 0 расположен источник воспламенения (горячая стенка), а газовзвесь расположена на расстоянии l от горячей стенки. Математическая модель горения такой смеси построена на основе теплодиффузионной модели горения газов [1], дополненной уравнениями энергии и выгорания дисперсной фазы с учетом межфазного теплового и массового взаимодействия. Подобные модели, учитывающие двухтемпературность среды, успешно применяли для моделирования самовоспламенения [2, 3] и зажигания газовзвесей [4–8], для исследования вопросов пожаротушения и огнепреграждения [9–13]. С учетом сделанных допущений уравнения, описывающие процессы в такой смеси, имеют следующий вид: уравнение энергии газовой фазы — cgρg ∂Tg ∂t = λg ∂2Tg ∂x2 +Qρ2 g,0Y1Y2k0 exp − Eg RTg −SαN(Tg −Tk)+(cgTg −ckTk)Ndm  − dt ; (1) 3 УДК 536.46:614.834
Стр.1
4 уравнение энергии частицы — уравнения сохранения массы горючего и окислителя в газовой фазе — ckmdTk dt = Sα(Tg −Tk)−qdm ρg,0 ∂Y1 ∂t = Dρg,0 ∂2Y1 ∂x2 − −ρ2 ρg,0 ∂Y2 ∂t = Dρg,0 −αfρ2 g,0Y1Y2k0 exp ∂2Y2 ∂x2 − g,0Y1Y2k0 exp − Eg RTg +Ndm dt ; (4) уравнение изменения массы частицы — dm dt = −Sjρg,0Y2,0, j = k(Tk)βm k(Tk) = k0,k exp − уравнение сохранения массы cреды — d Ek RTk dt (ρg +mN) = 0, ρg = ρg,0Y1 +ρg,0Y2 +ρin. Начальные условия: Tk(x, 0) = Tg(x, 0) = T0; ρg(x, 0) = ρg,0; (7) Y1(x, 0) = Y1,0; Y2(x, 0) = Y2,0; m(x, 0) = m0; граничные условия: x = 0: Tg = Ta; ∂Y1 ∂x = ∂Y2 x =∞: ∂Tg ∂x = ∂Y1 ∂x = ∂Y2 ∂x = 0; ∂x = 0. Здесь t — время; x — координата; T — температура; ρ — плотность; c — удельная теплоемкость; Qρg,0 — теплота химической реакции в газе, q — на поверхности частиц; E — энергия активации химической реакции; k0, k0,k — предэкспоненциальные множители в законе Аррениуса для гомогенной и гетерогенной реакций; m — масса частицы; d, S — диаметр и площадь поверхности частицы; N — число частиц в единице объема; λ, α, D, βm — коэффициенты теплопроводности, теплообмена, диффузии, массообмена; R — универсальная газовая постоянная; Y1, Y2 — концентрации горючего и окислителя в газовой фазе; NuD — ¯ (8) (6) Y2 k(Tk)+βm Y2,0 , , βm = NuDD d ; (5) − Eg RTg , (3) dt ; (2) Физика горения и взрыва, 2000, т. 36, N◦ 2 диффузионное число Нуссельта; αf — стехиометрический коэффициент. Индексы: 1 — горючий газ, 2 — окислитель, in — инертная часть исходной газовой смеси и продукты горения, g —газовая фаза, k —дисперсная фаза, 0 — начальные условия. Для уменьшения количества параметров задачи систему уравнений (1)–(8) записали в безразмерной форме. В качестве масштабов выбраны следующие величины: времени — t∗ = cgRT2 a/Eg Qρg,0k0 exp(−Eg/RTa)Y1,0Y2,0 (характерное время химической реакции в газе); координаты — x∗ =  λg cgρg,0 ∆T∗ = RT2 a Eg t∗ (толщина зоны химической реакции); температуры — , где Ta —адиабатическая температура горения газовой смеси. В безразмерной форме система уравнений (1)–(8) принимает вид ¯ ρg ∂θg ∂τ = ∂2θg ∂ξ2 +C1C2 exp θg +θg −Cθk + 1−C β r3 dθk dτ = ¯ ¯ ∂C1 ∂τ = Le∂2C1 ∂C2 ∂τ = Le∂2C2 d¯ dτ = − r3 j = C2 B C 1+βθg− r2(θg−θk)+ r3 B χ ¯ d¯ r2 χ (θg −θk)− ¯ r2 χ δ¯ dτ , j, ∂ξ2 −γC1C2 exp θg ∂ξ2 −αf,1γC1C2 exp θg r3 +αf,2 ¯ ¯ r2 χ 1+µ¯ d ¯ dτ B C d¯ dτ , jµLeCNuD NuT ρg + B C ¯ Y2,0, exp(Eθk/(1+βθk)) r exp(Eθk/(1+βθk)), r3 = 0. (13) (14) 1+βθg 1+βθg (9) (10) , (11) + (12)
Стр.2
А.Ю. Крайнов Начальные условия: θk(ξ, 0) = θg(ξ, 0) = −1/γ; ¯ C1(ξ, 0) = 1; C2(ξ, 0) = 1; ¯ граничные условия: ξ = 0: θg = 0; ∂C1 ∂ξ = ∂C2 ξ =∞: ∂θg Здесь θ = Eg RT2 τ = t t∗ αf,1 = αf C1 = Y1 Y1,0 a Y1,0 Y2,0 ∂ξ = ∂C1 ∂ξ = ∂C2 , ξ = x x∗ , C2 = Y2 Y2,0 , ¯ ∂ξ = 0; ∂ξ = 0. (T −Ta), C = ck cg , , αf,2 = 1 Y2,0 r = r r0 , ; E = Ek Eg ; NuT — тепловое число Нуссельта, Le — число Льюиса. В результате обезразмеривания в системе уравнений (9)–(16) появились безразмерные параметры, имеющие конкретный физический смысл: параметр характеризует размер частиц в газовзвеси, 4πr3 χ = ckρkr0 3αt∗ B = Nckρk cgρg γ = cg Q RT2 a 1 Eg Y1,0 , β = RTa Eg 0 3 — массовую концентрацию дисперсной фазы; параметры , Le = D λg/(cgρg) традиционные для теории горения газов [1]; 2r0 µ = k0,k exp(−Ek/RTa) NuDD характеризует массообмен частицы (отношение скорости химической реакции к скорости массообмена [14]), δ = qρkEgk0,k exp(−Ek/RTa)Y1,0 αRT2 a — теплообмен частицы (отношение скорости тепловыделения в химической реакции к скорости теплообмена [14]). Параметры δ и µ определяют режим протекания гетерогенной химической реакции на поверхности частиц (диффузионный или кинетический режимы реагирования [14]). , (16) 5 Систему уравнений (9)–(16) решали чисρg(ξ, 0) = 1; r(ξ, 0) = 1; (15) ленно по неявной разностной схеме методом прогонки на сетке, сгущающейся в зоне интенсивных химических реакций. В расчетах физико-химические параметры газовой фазы взяты близкими к параметрам метановоздушной смеси [1], а параметры вещества дисперсной фазы — к параметрам древесного угля [15, 16]. Смесь газов предполагалась трех видов: с избытком окислителя (Y1,0 = 0,0349, Y2,0 = 0,15504), стехиометрическая смесь (Y1,0 = 0,0402, Y2,0 = 0,15504), с недостатком окислителя (Y1,0 = 0,045, Y2,0 = 0,15504). Определяющие безразмерные параметры, вычисленные на основе этих данных, имеют следующие значения: γ = 0,1, β = 0,05, Le = 1, NuD/NuT = 1, E = 0,33, C = 2,5. В расчетах варьировались параметры дисперсной фазы (массовая концентрация, размер частиц, энергия активации химической реакции). Для исключения влияния способа инициирования на горение газовзвеси в численных экспериментах горение газовзвеси инициировали волной горения газа. Предполагалось, что граница газовзвеси находится на расстоянии l от источника воспламенения и участок 0 < x < l заполнен горючей газовой смесью без примеси частиц (это задавалось ступенчатым изменением N: N(x) = 0 при 0 < x < l, N(x) = N при x > l). Расстояние l выбирали так, чтобы после зажигания газовой смеси волна горения вышла на стационарный режим распространения в газовой смеси, свободной от частиц горючего. Затем стационарно распространяющийся фронт горения встречает на своем пути запыленную область, взаимодействует с ней, при этом происходит перестройка структуры фронта горения, и фронт, пройдя некоторое расстояние, выходит на стационарный режим распространения пламени по газовзвеси. Перед фронтом реакции в зоне прогрева идет разогрев частиц и газа. В зависимости от размера частиц их температура либо близка к температуре газа (при малых значениях χ), либо отстает от нее (при больших χ). По мере прогрева газа и частиц перед фронтом горения в смеси начинается химическая реакция. В зависимости от соотношения параметров дисперсной и газовой фаз, опережающей будет либо реакция в газе, либо реакция на поверхности частиц. На рис. 1 представлена структура фронта горения газовзвеси для двух
Стр.3