Введение к работе
Актуальность рассматриваемых вопросов.
Диспергирование топлив один из наиболее эффективных и
практически осуществимых способов интенсификации процесса горения.
Как правило, для сжигания мелкодисперсных частиц необходимо вводить
их в газовые потоки, то есть создавать газовзвеси. Последние широко
используются в теплоэнергетике при горении в камерных, вихревых и
циклонных топках, в авиационной и ракетной технике при горении
турбореактивных и прямоточных воздушно-реактивных двигателях, а
также в различных высокотемпературных химико-технологических
процессах. Актуальность исследований горения газовзвесей обусловлена
развитием новых технологий в двигателестроении. Одним из главных
направлений здесь является создание малогабаритных,
высокоэффективных камер сгорания с раздельной подачей реагентов, находящихся в различном агрегатном состоянии.
Учет различных факторов, сопутствующих горению газовзвесей, приводит к достаточно сложным математическим моделям. Их анализ (в большинстве случаев численный) необходим для углубленного понимания закономерностей протекания экзотермических химических реакций в гетерогенных средах в условиях, когда между фазами происходит интенсивный обмен массой, энергией и импульсом.
Следует отметить, что интерес к подобным исследованиям обусловлен не только созданием новейших двигателей, но и вызван все возрастающим разнообразием и актуальностью других вопросов, связанных с горением двухфазных сред. Среди них - интенсификация и оптимизация процессов энергетического и технологического горения, экологические аспекты горения, взрывопожаробезопасность и
пожаротушение, физико - химические способы воздействия на нефтяные пласты и др..
Цель работы. Построить строгие математические модели:
а) работы двухфазного газокапельного химического реактора идеального
смешения;
б) распространения волн химического превращения в газовзвеси капель
жидкого топлива.
Разработать эффективные численные методы исследования данных моделей.
Выявить основные закономерности процесса горения мелкодисперсных газокапельных смесей в каждом из рассматриваемых случаев.
Научная новизна
В работе построена математическая модель газокапельного химического реактора идеального смешения, учитывающая полидисперсность рабочей газовзвеси, а также протекание фазовых и химических превращений. Разработаны эффективные алгоритмы исследования стационарных и нестационарных режимов реактора, а также определения областей неустойчивых стационарных состояний в пространстве управляющих параметров.
Предложена односкоростная, модель инициирования и распространения волн горения в монодисперсной газовзвеси капель жидкого топлива, учитывающая наличие фазовых переходов и протекания экзотермической химической реакции между паром жидкости и газообразным окислителем.
На основе разработанной модели изучены различные режимы зажигания газовзвеси и механизмы развития процесса горения. Показано, что, несмотря на различие режимов, нестационарная стадия развития
горения газовзвеси всегда характеризуется первоначальным понижением температуры в зоне горения ниже адиабатической.
Разработан численный метод решения задачи формирования и распространения волн горения в мелкодисперсной газокапельной среде. Он основан на неявной, конечно - разностной, "против потока" аппроксимации системы дифференциальных уравнений. Для решения образующейся системы - дискретного аналога модели, применяется новая модификация метода простых итераций в сочетании с использованием неоднородных, перестраивающихся (адаптивных) сеток.
Численные эксперименты позволили обнаружить качественное отличие процесса формирования волн горения в газокапелыюй и газовой средах.
Практическая ценность.
Результаты численного анализа построенной модели газокапельного реактора идеального перемешивания могут быть с успехом применены для выбора оптимальных определяющих параметров, обеспечивающих теплонапряженную и устойчивую работу двухфазных реакторов. Аналогичный подход может быть непосредственно использован при исследовании тепловых режимов реакторов идеального смешения, работающих на пылеугольной взвеси, на пузырьковых смесях, а также для фильтрационных реакторов.
Разработанные методы расчета нестационарных ламинарных пламен в гетерогенных смесях могут быть применены для обеспечения качественной обработки экспериментальных данных по воспламенению и горению мелкодисперсных смесей и планированию экспериментов.
Предложенный численный подход к решению системы дифференциальных уравнений в частных производных в задаче о распространения волн горения в газовзвесях может быть также применен для анализа режимов работы двухфазных реакторов вытеснения, для исследования индукционного режима горения газовзвесей.
Апробация работы и публикации. Результаты диссертационной работы докладывались на "Мемориале Зельдовича" - международной конференции по горению, г. Москва, 1994г., на V Всероссийском семинаре по теории функций, г. Сыктывкар, 1993 г., на семинарах кафедры высшей математики Ухтинского государственного технического университета, на семинарах кафедры волновой и газовой динамики механико - математического факультета МГУ (1998 - 1999 гг.).
Список публикаций работ, в которых участвовал автор помещен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации.
Работа состоит из введения, трех глав, двух приложений, заключения и перечня цитируемой литературы. Общий объем работы - 111 страниц, включая 83 страницы текста, 21 рисунок и 88 библиографических наименований.
