Введение к работе
Актуальность работы. Горение факела распыленного жидкого горючего в газообразном окислителе лежит в основе рабочего процесса многих типов двигателей, в частности, таких практически важных, как: прямоточные воздушно-реактивные, жидкостные реактивные, турбореактивные, внутреннего сгорания и др. Сжигание жидкого горючего в топочных камерах парогенераторов электростанций, как правило, организуется по аналогичной схеме. Поэтому необходимость подробного изучения процессов и явлений, происходящих при воспламенении и горении газокапельных топливных смесей, тесно связана с проблемой создания усовершенствованных образцов энергетических и двигательных установок различного целевого назначения. Топливные смеси относятся к наиболее сложному, но далеко не единственному типу реагирующих газокапельных смесей, представляющих практический интерес. Другой областью возможного практического приложения соответствующих знаний является разработка экологически чистых методов распиливания в реакционную зону химически активных или инертных жидкостей с целью подавления процессов образования токсичных веществ при сжигании топлив или с целью предотвращения детонации взрывоопасных смесей.
Теоретические основы горения газокапельных смесей были заложены еще в 60-х годах. С тех пор численное моделирование горения газокапельных смесей применяется передовыми фирмами при создании новой техники в качестве альтернативы или дополнения к экспериментальным исследованиям и различным видам стендовых испытаний.
В настоящее время в связи с накоплением систематизированных справочных данных и значительно возросшим уровнем узкоспециальных знаний о многих физико-химических процессах и явлениях, происходящих в реагирующих газокапельных смесях, появилась возможность создания замкнутых математических моделей, которые достаточно точно и полно описывают влияние всех наиболее важных факторов на эволюцию состояния исследуемой среды. Использование таких моделей, реализованных в виде высокоэффективных вычислительных алгоритмов, позволит, в свою очередь, существенно повысить достоверность и информативность данных, получаемых с помощью численного моделирования. Совершенствование аппарата численного моделирования реагирующих газокапельных смесей является актуальным еще и потому, что экспериментальная диагностика высокотемпературных двухфазных сред является чрезвычайно сложной и дорогостоящей.
Цель работы - разработка унифицированной замкнутой математической модели течений реагирующих газокапельных смесей и реализация ее в виде высокоэффективных численных алгоритмов и программного комплекса, а также проверка ее достоверности путем численного моделирования постановки экспериментов, в которых получены наиболее надежные экспериментальные данные, или в ходе решения1 ряда конкретных практически важных задач.
Научная новизна.
Предложен вариант унифицированной замкнутой математической модели течений реагирующих газокапельных смесей, в основу которой заложены: '
- апробированные детальные кинетические механизмы газофазных реакций,
описывающие неравновесное протекание химических превращений паров капель
в многокомпонентном газе>
- апробированные модели тепломассообмена и сопротивления капель в
многокомпонентном газе;
- стандартные справочные данные по термохимическим и теплофизическим
свойствам индивидуальных веществ в жидком и газообразном состояниях.
Предложен алгоритм совместного расчета фазовых и химических превращений в реагирующих газокапельных смесях, обеспечивающий строгое выполнение стехиометрии реакций и уравнений материального баланса.
Предложена методика, в рамках которой одновременно с наполнением унифицированной модели конкретными данными осуществляется их проверка. На примере метанола показано, что использование данной методики обеспечивает достоверность результатов численного моделирования.
Практическая ценность. Предложенные в диссертации унифицированная математическая модель и вычислительные алгоритмы, реализованные в виде комплекса программ, могут . использоваться для численных исследований реагирующих газокапельных' смесей различного химического состава, в том числе и газокапельных топливных, смесей. В последнем случае, предложенный в диссертации подход позволяет прогнозировать не только задержку воспламенения, но и полноту сгорания топлива, образование токсичных продуктов сгорания и т. д. При этом, благодаря предложенной методике подготовки согласованного набора термодинамических, теплофизических и кинетических данных, а также за счет апробированной в диссертации технологии численных исследований обеспечивается достоверность численных результатов, которая достаточна для многих, практических приложений.
Результаты диссертации были использованы в ходе прикладных исследований, направленных на усовершенствование ряда конкретных технологических установок.
i Достоверность результатов. Предложенная в диссертации модель состоит из
подмоделей, каждая из которых ранее была хорошо апробирована. Достоверность
вычислительных; алгоритмов проверялась путем' решения специально
подобранных тестовых задач.1 Достоверность результатов, получаемых с
использованием полной математической модели, проверялась путем
моделирования постановок специально отобранных тщательно поставленных
экспериментов, позволяющих проверить как отдельные подмодели, так и всю
модель в комплексе.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на: IX школе по пакетам прикладных программ "Программное обеспечение математического моделирования, управления и искусственного интеллекта" (Адлер, 1991); семинарах по физико-химической газовой динамике (1992, НИИМех МГУ, рук. С.А. Лосев) и физической газодинамике (1993, Отделение ИХФ в Черноголовке, рук. В.Е. Фортов); первой Международной конференции по неравновесным процессам в соплах и струях (Москва, 1995); XIX и XX Научных чтениях по космонавтике (Москва, 1995, 1996).
Основные результаты работы опубликованы в [1-5].
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, содержит 131 страницу, 53 рисунка, 8'таблиц и список литературы из 174 названий.