Физико-математическое моделирование ослабления и подавления детонации в реагирующих газовых смесях инертными частицами Тропин, Дмитрий Анатольевич

Введение к работе

Актуальность проблемы обусловлена вопросами взрыво- и пожаробе- зопасности промышленных производств. В частности, например, при добыче угля в шахтах выделяются взрывоопасные газы, которые в аэросмеси с угольной пылью могут являться источником пылевых взрывов. Взрывоопасные смеси, образующиеся в угольных шахтах, это смеси воздуха и природного газа, который состоит в основном из метана с небольшими количествами этана и других углеводородов. Хотя большинство катастрофических взрывов газа в угольных шахтах порождают волны дефлаграции, наихудший сценарий развития подобного процесса предполагает зарождение детонационных волн (ДВ), которые чрезвычайно разрушительны. Кроме того, аварийные взрывы случаются при транспортировке смесей горючих газов к местам потребления.

За последнее десятилетие происходили и до сих пор происходят десятки вспышек и взрывов метана на угольных шахтах России («Воркутин- ская» (2002 г.), «Зиминка» (2003 г.), «Листвяжная» (2004 г.), «Есаульская» (2005 г.), «Анжерская» (2005 г.), «Ульяновская» (2007 г.), «Распадская» (2010 г.) и др.), которые уносят жизни сотен человек. Установлено, что взрывы метана и угольной пыли из всех аварий на шахтах являются наиболее сложными и опасными. В результате часто возникают пожары, обрушения, завалы в горных выработках, отравления и другие не менее тяжелые последствия.

Одним из способов подавления неконтролируемой детонации является метод ее подавления с помощью вброса в поле течения реагирующей газовой смеси инертных твердых частиц. Добавление химически инертных твердых частиц оказывается эффективным способом для контролирования и модификации процессов горения и детонации в газовых системах. Он может быть использован и для того, чтобы уменьшить скорость детонации, то есть уменьшить катастрофическое воздействие на окружающую среду.

Тем самым задачи инициирования, распространения, ослабления и подавления детонации относятся к числу наиболее актуальных и сложных задач механики реагирующих систем.

В литературе известны работы по подавлению детонации в водород- кислородных, метан-кислородных, пропано-воздушных смесях. Необходимо отметить, что описанные в литературе экспериментальные исследования подавления детонации добавлением в поле течения инертных мелких частиц не являются всеобъемлющими. Так, зарубежные авторы P. Laf- fitte, R. Bouchet (1958 г.) выполнили исследование подавления детонации в смесях водород - кислород, метан - кислород, пропан - кислород. Ими приведены данные по минимальной массе и суммарной площади поверхности частиц солей калия и натрия, необходимых для гашения детонационной волны в указанных смесях газов в трубе малого диаметра. Что же касается детонации метано-воздушных смесей и их смесей с частицами, то и таких работ немного. Эта часть исследований посвящена в основном взрывам метано-воздушных смесей в ограниченных объемах с различными вставками, шероховатыми поверхностями. Данный тип взрыва может происходить при использовании метана в промышленных установках, которые содержат эти объекты и имеют неидеальные, негладкие поверхности стенок. Прохождение волн горения по таким установкам приводит к турбули- зации потока и дополнительному ускорению пламени. Возросшая скорость пламени может привести к возникновению взрывных и ударных волн, которые в свою очередь могут перейти в детонацию. Так, например, Lindstedt R.P., Michels H.J. (1989 г.) наблюдали дефлаграционно-детонационный переход (ДДП) в стехиометрической метано-воздушной смеси в гладкой трубе диаметром 5 см с использованием спирали Щелкина для создания тур- булизации потока. В работе Ciccarelli G., Dorofeev S. (2008 г.) на основе анализа был предложен критерий существования детонации в таких установках, основанный на размере ячейки ДВ и диаметра трубы.

Отметим, что вопросами физико-математического моделирования задач механики гетерогенных сред занимались исследователи Российских школ Нигматулина Р.И. (Урманчеев С.Ф., Кутушев А.Г. и др.), Левина В.А. (Марков В.В. и др.), Фомина В.М. (Федоров А.В. и др.), Борисова А.А., Гельфанда Б.Е. (Фролов С.М. и др.) Митрофанова В.В. (Васильев А.А., Ждан С.А., Фомин П.А., Прохоров Е.С.и др.), Голуб В.В., Смирнов Н.Н., Вараксин А.Ю.; а также Laffitte P., Bouchet R., Wolanski, P., Kaufman C.W., Nicholls J.A., Sichel M. и др. Несмотря на проведенные исследования проблемы инициирования, распространения и подавления детонации в упомянутых газовых смесях, все еще остаются некоторые нерешенные проблемы.

Так, влияние таких свойств частиц, как теплоемкость, температура и теплота плавления, и начальных параметров смеси на процесс подавления детонации, как правило, не исследовалось. До сих пор не выяснены сценарии и механизмы подавления детонации реагирующих смесей газов.

В работах ИТПМ СО АН СССР Казакова Ю.В., Федорова А.В., Фомина В.М. (1987-1989 гг.) для описания данного явления была предложена математическая модель механики двухскоростной двухтемпературной гетерогенной среды с приведенной кинетикой. На ее основе решена задача о структуре детонационной волны. Численные расчеты данных авторов впервые показали, что при увеличении диаметра частиц и их фиксированном содержании перед фронтом волны наблюдается непрерывный переход по скорости детонации от равновесной D_e к замороженной Dj . Впоследствии в работе M.V. Papalexandris (2004 г.) также исследовалась структура детонационной волны и устойчивость детонации в смесях реагирующих газов и твердых частиц в рамках модели механики гетерогенных сред, как в одномерном, так и в двумерном нестационарном течениях. В недавней работе П.А. Фомина, Д.-Р. Чена (2009 г.) был проведен расчет подавления детонации в стехиометрической водород-кислородной смеси инжекцией химически инертных частиц Al₂O₃, SiO₂, W.

Анализ данных работ показал, что рамки применяемых математических моделей для описания подавления детонационных явлений в газовзвесях ограничены моделями равновесной, модельной или приведенной кинетики химических превращений в ДВ. Поэтому предлагается использовать реалистические детальные схемы кинетических реакций воспламенения и горения газовой фазы, что позволяет дать более достоверную картину протекания процесса подавления детонации при добавлении инертных частиц. Под подавлением будем понимать распад ДВ на затухающую замороженную УВ (ЗУВ) и отстающий фронт/волну воспламенения-горения (ВВГ).

Таким образом, представляется актуальным:

развить физико-математические модели, описывающие детонацию в газовзвесях реагирующих газов (водорода и углеводородов с окислителем) и твердых инертных частиц на основе детальных кинетических механизмов химических превращений;

на ее основе определить концентрационные и геометрические пределы детонации (минимальные массовые концентрации частиц в облаке и фильтре, а также минимальную длину облака и фильтра частиц, которые приводят к подавлению детонации);

исследовать влияние неоднородности распределения частиц в облаке/фильтре на геометрические пределы детонации.

Целями настоящей работы являются:

построение физико-математической модели двухскоростных двух- температурных гетерогенных сред для описания распространения, ослабления и подавления детонации в смесях водорода и углеводородов с окислителем облаком / фильтром инертных частиц на основе учета детальных кинетических механизмов химических превращений;

выявление механизма подавления детонации реагирующих газов путем вброса инертных частиц;

определение критических параметров подавления (объемной концентрации частиц, размера облака и фильтра частиц);

исследование влияния объемной концентрации частиц на геометрические пределы детонации и процесс ее гашения;

построение физико-математической модели детонационного сгорания пара керосина в окислителе, позволяющей провести аналитическое исследование структуры детонационной волны;

определение пределов воспламенения частиц магния в окислителе за отраженными УВ - зависимостей времени задержки воспламенения и предельной температуры воспламенения от размера частиц, температуры и давления окружающего частицы газа в рамках единой математической модели.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. 1. Разработана физико-математическая модель подавления детонации водород-кислородной, метан-кислородной и метан-водород-кислородной смесей облаком и фильтром инертных частиц, основанная на детальной кинетике воспламенения и горения газовой смеси. Впервые на ее основе найдены концентрационные по массовой концентрации частиц пределы детонации; определены геометрические пределы детонации.

   2. Выявлено, что: определенная в работе критическая длина фильтра является оптимальной при неоднородной концентрации частиц; при немонотонном распределении концентрации частиц определяющим параметром в процессе подавления детонации является не столько объемная концентрация частиц, сколько длина, на которой происходит гашение волны воспламенения и горения.

   3. Предложена физико-математическая модель детонационного сгорания керосина, основанная на разработанной двухстадийной приведенной кинетике химических реакций, которая удовлетворительно описывает экспериментальные характеристики детонационного процесса: время задержки воспламенения; и зависимость скорости ДВ от стехиометрического соотношения в широком диапазоне начальных параметров среды.

   4. Впервые в сопряженной постановке предложена математическая модель воспламенения образцов магния, дающая конечную температуру частицы после воспламенения. На основе методов элементарной теории катастроф построены многообразия катастроф/воспламенений, определяющие условие воспламенения и типы тепловой динамики образцов магния. Математическая модель верифицирована по экспериментальным зависимостям: время задержки воспламениня - ^g_n (r,T_ai_r) и предельная температура воспламенения образцов магния - Ty_im(r,P₀) в широком диапазоне размеров образца 15-600 мкм и давлений 1-10 атм окружающей среды.

   Практическая ценность работы заключается в определении критериев и механизма подавления детонации, количественного и качественного влияния концентрации частиц на параметры детонационных волн в смесях водорода и углеводородов с окислителем; получении концентрационных и геометрических пределов детонации в данных смесях; определении влияния неоднородности распределения частиц в облаке на процессы ослабления и подавления детонации.

   Достоверность полученных результатов подтверждается верификацией физико-математических моделей по большому набору экспериментальных данных в широком диапазоне изменения начальных параметров и соответствием расчетных данных результатам экспериментов и расчетов других авторов.

   Апробация работы:

   Основные результаты докладывались на семинарах под руководством академика РАН Фомина В.М., профессора Федорова А.В. (ИТПМ СО РАН), а также на XLV, XLVI, XLVII Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, 2007 г., 2008 г., 2009 г.); XIV Симпозиуме по горению и взрыву (Черного- ловка, 13-17 октября 2008 г.); Всероссийской конференции, приуроченной к 70-летию академика В.А. Левина «Успехи механики сплошных сред» (Владивосток, 2009 г.); 27-th International Symposium on Shock Waves (St. Petersburg, Russia, 19 - 24 July 2009); Всероссийской конференции, приуроченной к 20-летию ИПРИМ РАН «Механика и наномеханика структурно - сложных и гетерогенных сред. Успехи, проблемы, перспективы» (Москва, 30 ноября - 2 декабря 2009 г.); Х, XI Забабахинских научных чтениях (Снежинск, 15-19 марта 2010 г., 16 - 20 апреля 2012 г.); конференции «Многофазные системы: природа, человек, общество, технологии», посвященной 70-летию академика Р.И. Нигматулина (Уфа, 21 - 25 июня 2010 г.); XV Международной конференции по методам аэрофизических исследований (ICMAR 2010) (Новосибирск, 2010 г.); Международной конференции «Современные проблемы прикладной математики и механики: теория, эксперимент и практика», посвященная 90-летию со дня рождения академика

   1. 1. 1. Н. Яненко (Новосибирск, 2011 г.); Х Всероссийском съезде по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики. Вторая Всероссийская школа молодых ученых-механиков (Нижний Новгород, 2430 августа 2011 г.). Общее число публикаций по материалам диссертации - 19, в том числе 6 статей в рецензируемых научных журналах из списка ВАК и 1 монография.

         На защиту выносятся:

         1. 1. 2. разработка физико-математической модели подавления детонации водород-кислородной, метан-кислородной и метан-водород-кислородной смесей облаком и фильтром инертных частиц, основанной на детальной кинетике воспламенения и горения газовой смеси;

                  1. результаты исследований по определению

                  критических параметров подавления детонации в полубесконечном облаке и фильтре в смесях водорода и углеводородов с окислителем;

                  влияния неоднородности распределения объемной концентрации частиц фильтра на геометрические пределы детонации и типы возникающих детонационных течений: гашение, ослабление и реинициирование детонации;

                  1. построение физико-математической модели детонационного сгорания керосина, основанной на двухстадийной приведенной кинетике химических реакций, которая позволяет удовлетворительно описать локальные и интегральные характеристики детонационного процесса - время задержки воспламенения керосина и зависимость скорости ДВ от стехиометриче- ского соотношения в широком диапазоне начальных параметров среды (T є [1000,2100] К, p₀ є [0.2,1] атм, ф є [0.7,1]).

                  Структура и объем диссертации:

                  Работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы из 71 наименования. Полный объем диссертации - 118 страниц, включая 44 рисунка. В нумерации формул и рисунков используется две цифры: первая цифра соответствует номеру главы, вторая - номеру формулы или рисунка в этой главе. Библиографические ссылки нумеруются по главам.

                  Похожие диссертации на Физико-математическое моделирование ослабления и подавления детонации в реагирующих газовых смесях инертными частицами

                  

                  Численное моделирование особенностей течений идеального газа и двухфазных смесей газа с частицамиПьянков, Кирилл Сергеевич

                  

                  Пространственная сегрегация частиц в концентрированной магнитной жидкости: численное моделированиеБуркова Екатерина Николаевна

                  Моделирование седиментации частиц полидисперсной суспензии в классификационных аппаратахПикущак Елизавета Владимировна

                  

                  Моделирование гетерогенной детонации газовзвесей с неполным сгоранием частицХмель, Татьяна Алексеевна

                  

                  Математическое моделирование динамики двухкомпонентной плазмы с учетом столкновений заряженных частицКудрявцева Ирина Анатольевна

                  Математическое моделирование течений вязкой несжимаемой жидкости со свободными границами методом сглаженных частицМакарчук, Роман Сергеевич

                  

                  Моделирование лазерно-оптических методов измерения параметров дисперсных частиц в запыленных плазменных струяхКартаев Евгений Владимирович

                  

                  Исследование структуры турбулентных гетерогенных потоков "газ - твердые частицы"Вараксин Алексей Юрьевич

                  

                  Нелинейная динамика границы мишени под действием интенсивных потоков заряженных частицМайер Александр Евгеньевич

                  

                  Реологическое поведение разбавленных суспензий деформируемых частицЕсмуханов, Мурат Маташевич