Введение к работе
Актуальность работы. Описание процессов горения газов в гетерогенных системах, то есть системах, включающих конденсированную фазу, представляет собой, с одной стороны, фундаментальную проблему, обладающую богатейшей физикой, а с другой стороны, имеет большое практическое значение, обусловленное участием конденсированной фазы во многих промышленных горелочных устройствах и технологических процессах. Примерами гетерогенных систем горения являются волны газового горения в аэрозолях, пористых средах, узких трубках, горение газов в загроможденных пространствах. Проблемы прогнозирования процессов горения в гетерогенных системах еще далеки от полного решения. Недостаточность фундаментальных знаний о процессах горения в таких системах ограничивает решение прикладных задач и разработку адекватных технологических регламентов. Сложность процессов горения в гетерогенных системах обусловлена разнообразием типов межфазного взаимодействия и элементарных физических и химических процессов, участвующих в процессе горения. Сюда относятся межфазный тепло- и массообмен, кондук-тивный перенос тепла в системе по газовой и конденсированной фазам, диффузионный и конвективный перенос тепла и массы по газовой фазе, гомогенные или гетерогенные химические реакции, гидро- и аэродинамическое взаимодействие газа с конденсированной фазой, возможные фазовые превращения. В различных гетерогенных системах доминируют те или иные физические процессы, определяющие характеристики, режимы и закономерности процесса горения. Выбор гетерогенных систем горения в данной работе обусловлен стремлением выявить роль различных физических факторов. В частности, в рамках диссертации рассмотрены следующие гетерогенные системы:
фильтрационное горение газов (ФГГ) в пористых средах как пример системы с сильным тепловым межфазным взаимодействием;
фильтрационное горение жидких монотоплив - система аналогичная предыдущей, но осложненная фазовыми превращениями;
горение водоосновных пен, заполненных горючим газом - система с жидким каркасом, подвергающимся деструкции в процессе горения;
горение в закрытых загроможденных сосудах - как пример системы с сильным газодинамическим взаимодействием.
Цели и задачи работы. Целью работы является разработка физико-математических моделей горения гомогенных газовых смесей в гетерогенных системах, проверка их работоспособности на экспериментальном материале, анализ на основе полученных моделей закономерностей горения в гетерогенных системах в плане объяснения экспериментальных результатов и практических применений. В рамках поставленной цели решались следующие задачи:
получение новых экспериментальных данных по горению газов в выбранных -гетерогенных системах;
создание физических моделей горения газов;
разработка соответствующих математических моделей;
разработка методов их решения;
анализ закономерностей горения на основе разработанных моделей;
проверка работоспособности моделей на экспериментальном материале.
Научная новизна представляемой работы состоит в создании работоспособных математических моделей горения газа в ряде гетерогенных систем, позволивших понять ранее не находившие объяснения экспериментальные факты, прогнозировать поведение этих систем в различных параметрических условиях и обосновать пути усовершенствования практических устройств горения.
Впервые экспериментально обнаружено занижение температуры в волне ФГГ относительно термодинемически равновесной для бедных водородо-, богатых пропано-воздушных смесей и во всем диапазоне составов метано-воздушных смесей.
Объяснено неизменно проявляющееся на эксперименте явление - наклонная неустойчивость спутных волн ФГГ.
Проведены систематические экспериментальные и теоретические исследования нестационарных волн ФГГ: сферических волн ФГГ, нестационарных эффектов, индуцированных изменением параметров системы, процесса формирования волны ФГГ пламенем, стабилизированным на поверхности пористой среды.
Разработаны теоретические основы нового раздела фильтрационного горения - фильтрационного горения жидких монотоплив. Проанализированы закономерности фильтрационного горения жидких монотоплив, что позволило установить наличие двух низкоскоростных режимов в этой системе и провести аналогию с фильтрационным горением газа. Теоретически предсказана воз-
можность адиабатических пределов горения по скорости фильтрации, проанализирована их природа.
Предложена феноменологическая модель горения водогорючих пен.
Проведены экспериментальные исследования горения газа в сферических сосудах разного объема, как свободных, так и загроможденных. Это позволило сформулировать принципы масштабного моделирования газовых взрывов в загроможденном пространстве.
Практическая значимость. Разработаны теоретические основы процесса "прогорания" промышленных огнепреградителей, что позволило установить пути повышения их огнестойкости.
На основе изучения сферических волн ФГГ предложены метод стабилизации волны ФГГ в пористой среде и упрощенный метод определения адиабатической температуры горения газовой смеси, что отражено в патентах [17, 18].
Разработанная модель фильтрационного горения жидких монотоплив может быть использована для прогнозирования поведения жидкостных горелок на основе фильтрационного горения.
На основе результатов масштабного моделирования внутренних газовых взрывов в загроможденных сосудах предложен метод оценки скорости горения в полномасштабных загроможденных сосудах на основе маломасштабных моделей.
Личный вклад автора. Все представленные в диссертации результаты получены лично автором или при его непосредственном участии. Постановка задачи по сферической волне ФГГ (глава 4) предложена Бабкиным B.C., проведение экспериментов, разработка теоретической модели, ее анализ, подготовка публикаций проделаны автором. Работы по горению пен (глава 8) (проведение экспериментов, обработка и анализ результатов) проводились совместно с За-мащиковым В.В., теоретическая модель горения пен разработана автором. Эксперименты по масштабному моделированию газовых взрывов (глава 9) проводились большим коллективом при непосредственном участии автора. Обобщение и анализ результатов проведены автором. В остальных разделах вклад автора определяющий.
На защиту выносится совокупность результатов исследований волн газофазного горения в гетерогенных системах:
Результаты экспериментального исследования особенностей фильтрационного горения водородо-, пропано- и метано-воздушных смесей и их интерпретация.
Модели очаговой и наклонной неустойчивости волн ФГГ.
Результаты экспериментальных и теоретических исследований закономерностей распространения сферических волн ФГГ.
Результаты экспериментального изучения и теоретического анализа процесса прогорания пористых огнепреградителей.
Результаты экспериментального и теоретического изучения нестационарных волн ФГГ при изменении физических параметров системы.
Математическая модель фильтрационного горения жидких монотоплив и анализ на ее основе закономерностей фильтрационного горения жидкостей.
Математическая модель горения водоосновных пен, заполненных горючим газом и ее верификация на экспериментальном материале.
Экспериментальные результаты масштабного моделирования горения газов в закрытых загроможденных сосудах и предложенный на их основе метод оценки скорости горения в полномасштабных загроможденных сосудах.
Достоверность результатов. Достоверность экспериментальных результатов подтверждается выполнением тепловых балансов в волнах горения, составленных на основе измеренных характеристик волн горения. Достоверность аналитических моделей обосновывается примененим классических уравнений горения, верифицированных методов решения, выполнением частных случаев. Достоверность результатов численного моделирования обусловлена применением отработанных численных технологий, выполнением частных тестов на задачах, имеющих аналитическое решение.
Апробация работы. Результаты диссертационных исследований докладывались на IV и V Международном семинаре по структуре пламен (Новосибирск, 1992, 2005), 25 Международном симпозиуме по горению (1994 г.), Всесоюзном Симпозиуме по горению и взрыву (Суздаль, 1989 г.), на Международной конференции по горению, посвященной памяти Зельдовича (Москва, 1994 г.), 9 Симпозиуме по горению и взрыву в Черноголовке (1996 г.), Международ-
ном Симпозиуме по химии пламени (Алма-Ата, 1997), 4 Международной школе-семинаре в Минске (2001 г.), Международном симпозиуме "Actual problems of physical hydroaerodynamics" (1999 г.), 16 Международном симпозиуме по процессам горения в Польше (1999 г.), Международной конференции «Сопряженные задачи механики, информатики и экологии» в Томске (2002 г.), II Международном симпозиуме "Горение и плазмохимия" в Алма-Ате (2003 г.), 16 Международной конференции по химическим реакторам в Берлине (2003 г.), Международной конференции "Сопряженные задачи механики реагирующих сред, информатики и экологии" в Томске (2007 г.), Всероссийской конференции "Современные методы математического моделирования природных и антропогенных катастроф." в Барнауле (2007 г.), Международной конференции по методам аэродинамических исследований в Новосибирске (2008 г.), 7 Международной конференции "Mathematical modeling of dangerous natural phenomena and catastrophes" в Томске (2008 г.), II Всероссийской научно-практической конференции с международным участием "Энергетические, экологические и технологические проблемы экономики (ЭЭТПЭ-2008)" в Барнауле (2008 г.), а также на семинарах в ИХКГ СО РАН, Институте теплофизики СО РАН.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 56 печатных работ, в том числе статей 43, 2 патента.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, девяти глав, заключения и списка литературы. Всего 331 страница с 6 таблицами и 93 рисунками, библиография, включает 205 источников.
