Введение к работе
Актуальность проблемы.
Дисперсные материалы используются во многих технологических процессах, осуществляемых в химической, угледобывающей, энергетической и др. отраслях промышленности. Сюда могут быть отнесены исходное сырье, образующиеся полупродукты или конечные продукты. В атмосфере производственных помещений и внутри технических устройств дисперсные материалы образуют газовзвеси, т.е. системы, состоящие из твердых частиц, распределенных в газовой среде. Достаточно часто такие смеси способны к горению. Поэтому они являются источником взрывопожароопасности и их наличие требует соблюдения определенных мер безопасности. Особенно подвержены взрывам пылей высокотехнологические производства по переработке дисперсных материалов, добыча каменного угля и т.д. Статистика показывает, что число пожаров и взрывов промышленных пылей продолжает оставаться значительным. Это объясняется, как несоблюдением правил пожарной безопасности, так и недостаточной изученностью процессов воспламенения и горения веществ в дисперсном состоянии.
Следовательно, наряду с экспериментальными исследованиями, является важным и развитие теоретического анализа закономерностей гореїшя и газодинамики аэровзвесей, в том числе конкретных систем газ -металлические частицы. В частности, с точки зрения возникновения и распространения волн детонации в газовзвесях металлических частиц важна проблема воспламенения их аэровзвесей в ударных волнах.
Проблема воспламенения одиночных частиц металлов и их совокупностей изучалась экспериментально и теоретически в работах школ Р.И. Нигматулина, Л.Г. Мержанова, В.М. Фомина, В.А. Левина, В.П. Коробейникова, исследованиях М.А. Гуревича, A.M. Степанова, Г.К. Ежовского, Л.Н. Стесика, А.В. Федорова, Х.В. Касселя, И. Либмана и
др. Основой теоретического рассмотрения являлись точечные модели, пренебрегавшие неравномерностью полей параметров внутри образца и модели приведенной пленки, позволявшие найти распределения физических параметров в объеме вокруг частицы. Условиями воспламенения служили соответственно либо условия Семенова из теории теплового взрыва, либо достижение скоростью реакции окисления величины, соответствующей парофазному режиму горения магния. Кинетические константы эмпирического закона воспламенения находились из условия совпадения экспериментальной и теоретической зависимостей температуры воспламенения, либо времени задержки воспламенения от размера частицы, числа Маха инициирующей ударной волны (УВ) и т.д. Следует отметить, что в имеющихся в литературе математических моделях воспламенения частиц имеется значительный разброс в определении влиятельных факторов. Это приводит к тому, что кинетические константы моделей сильно, иногда на порядки, различаются. Анализ воспламенения аэровзвесей в динамических условиях течений за УВ проводился, как правило, в рамках модели одиночных частиц без учета обратного влияния частиц на газ. Кроме того, критерий воспламенения обычно формулировался как аппроксимация некоторых расчетных данных, но не аналитически.
Поэтому представляется актуальным:
дать обоснование точечной модели воспламенения одиночной частицы магния и исследовать тот ее вариант, когда учитывается одновременное протекание процессов окисления и испарения металла;
построить аналитические критерии воспламенения аэровзвесей металлических частиц под действием ударных волн;
исследовать задачу инициирования и устойчивого распространения волн воспламенения в протяженных образцах и аэровзвесях.
Цель работы.
Разработка математической технологии для решения задач воспламенения одиночных образцов и газовзвесей твердых частиц при учете скоростной и температурной неравновесности между фазами, включающей:
обоснование и исследование точечных моделей воспламенения образцов магния па основе методов элементарной теории катастроф;
математическое исследование режимов окисления магниевых нитей в виде бегущих волн воспламенения;
развитие теории теплового взрыва движущихся реагирующих двухфазных сред;
определение типов течения в смеси газа и частиц магния, возникающего при прохождении по смеси ударной волны;
построение и анализ математической модели воспламенения газовзвесей частиц органического топлива;
верификацию предложенной математической технологии путем сравнения полученных аналитических и численных результатов с известными экспериментальными данными и тестирование использованных численных методов.
Научная новизна работы заключается в
применении в качественном анализе состояний равновесия и условий теплового взрыва гетерогенной среды методов элементарной теории катастроф;
обобщении теории теплового взрыва Семенова на случай воспламенения движущихся континуумов металлических частиц.
Практическая ценность работы заключается в получении критериев воспламенения одиночных металлических частиц/образцов и облаков частиц под действием ударных волн в условиях запыленных
промышленных производств.
На защиту выносится разработка математической технологии для решения задач воспламенения одиночных образцов и газовзвесей металлических частиц при учете скоростной и температурной неравновесности между фазами в проходящих и отраженных ударных волнах.
Достоверность полученных результатов подтверждается:
использованием апробированных аналитических к численных методов механики реагирующих гетерогенных сред;
верификацией математических моделей на основе удовлетворительного сравнения с известными экспериментальными данными;
проверкой сходимости численных методов на последовательности измельчающихся сеток.
Апробация работы.
Основные результаты работы опубликованы в центральной печати [1 - 13] и докладывались на семинарах под руководством чл. - корр. РАН
Фс^шЙ1ёПмГ(итпит:о~ращ
научных студенческих конференциях «Студент и научно-технический прогресс» (г.Новосибирск, 1997, 1998 гг.), на Vh VI Международных конференциях молодых ученых «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (г. Новосибирск, 27-30 апреля 1998 г., 25 - 28 апреля 2000 г.), на Международном рабочем семинаре «Акустика неоднородных сред - V» (г.Новосибирск, 26-29 мая 1998 г.), на IV Всероссийской школе-семинаре «Аналитические методы и оптимизация процессов в механике жидкости и газа» «САМГОП-98» (г.Уфа, 20-25 июля 1998 г.), на The International Conference «V Zababakhin Scientific Talks» (г. Снежинск, 21-25 сентября 1998 г.), на
Международной Конференции «Математические модели и методы их исследования» (г.Красноярск. 25-30 августа 1997 г.), на The 16th International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems (Cracow. Poland. August 1997), на Всероссийской научной конференции «Физико-химические проблемы сжигания углеводородных топлив» (г. Москва. 20-22 мая 1998 г.), на The Second Asia-Pacific Conference on Combustion (Tainan, Taiwan. May 9-12, 1999), на The 17-th International Colloquium Dynamics of Explosions and Reactive Systems (Heidelberg. Germany. July 25-30 1999), на Всероссийском Семинаре «Динамика многофазных сред» (г. Новосибирск, 11-13 октября 1999 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано в печати 13 работ, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы из 83 наименований. Полный объем работы, включая иллюстрации, составляет 162 страницы.