Содержание к диссертации
Введение
1. Самовоспламенение химически реагирующих газовзвесей сложного состава 27
1.1. Период индукции самовоспламенения немонодисперсной совокупности реагирующих частиц. 29
1.2. Самовоспламенение двухкомпонентной газовзвеси 35
1.3. Самовоспламенение гибридной газовзвеси ... 47
1.4. Период самовоспламенения двухкомпонентного аэрозоля жидких окислителя и горючего 53
1.5. Моделирование сгорания топлива в дизельном двигателе. 61
1.6. О влиянии выхода горючих летучих компонентов из дисперсной фазы на самовоспламенение газовзвеси ... 67
1.7. Математическое и численное моделирование самовоспламенения и сгорания газовзвеси угольной пыли. 85
1.8. Выводы по главе 1 91
2. Изучение закономерностей зажигания газовзвесей различными источниками 93
2.1. Воспламенение неоднородного облака частиц лучистым потоком... 95
2.2. Воспламенение газовзвеси в полости с нагретыми излучающими стенками 102
2.3. Исследование зажигания различными источниками и выхода на режим послойного горения гибридной газовзвеси (смеси реагирующих газов и частиц) 110
2.4. Критические условия воспламенения искрой гибридной газовзвеси... 117
2.5. Влияние лучистого теплопереноса на минимальную энергию искрового зажигания газовзвесей. 127
2.6. Выводы по главе 2 140
3. Распространение фронта пламени в газовзвесях сложного состава 142
3.1. Взаимодействие волны горения с облаком ингибитора 143
3.2. Пределы распространения пламени по запыленному газу 148
3.3. Ингибирование газового пламени аэрозолем капельной жидкости... 155
3.4. Моделирование распространения пламени в смеси горючих газов и частиц 164
3.5. Распространение пламени в гибридной газовзвеси с неоднородной концентрацией частиц 173
3.6. Распространение фронта горения по газовзвеси, выделяющей горючие летучие компоненты 183
3.7. Выводы по главе 3.... 187
4. Математическое и численное моделирование распространения ударных волн от взрыва и горения газовзвесей угольной пыли в метановоздушной смеси . 189
4.1. Газодинамическая модель расчета взрывобезопасных расстояний при взрывах метановоздушных смесей в угольных шахтах ... 191
4.2. Влияние взрывов локальных скоплений метана на интенсивность ударной волны ,,. 224
4.3. Математическая модель распространения ударной волны с учетом прихода угольной пыли и ее горения 228
4.4. Методика учета влияния взрывозащитных парашютных перемычек на интенсивность ударной волны в сети выработок угольных шахт . 244
4.5. Математическая модель, методика и результаты расчёта ослабления воздушной ударной волны при ее взаимодействии с водяными и сланцевыми заслонами 264
4.6. Сравнительный анализ эффективности использования ВЗПП, завалов и водяных заслонов 280
4.7. Выводы по главе 4. 281
5. Моделирование процессов в малогабаритных газогенераторах 284
5.1. Математическая модель работы системы газогенератор -трубопровод — привод 285
5.2. Результаты расчетов рабочего процесса в газогенераторе первого типа при различных значениях конструктивных параметров 297
5.3. Результаты расчетов рабочего процесса в газогенераторе второго типа при различных значениях конструктивных параметров 308
5.4. Расчет системы газогенератор - трубопровод — привод с трубопроводами, частично заполненными жидкостью 311
5.5. Выводы по главе 5 319
Заключение 321
Литература 326
- Период самовоспламенения двухкомпонентного аэрозоля жидких окислителя и горючего
- Исследование зажигания различными источниками и выхода на режим послойного горения гибридной газовзвеси (смеси реагирующих газов и частиц)
- Распространение пламени в гибридной газовзвеси с неоднородной концентрацией частиц
- Методика учета влияния взрывозащитных парашютных перемычек на интенсивность ударной волны в сети выработок угольных шахт
Введение к работе
Актуальность темы
Дисперсные химически активные материалы часто встречаются и широко используются в химических технологиях, порошковой металлургии, в производственных процессах пищевой, фармацевтической, текстильной, деревообрабатывающей, угледобывающей и углеперерабатывающей промышленности. Интенсификация технологических процессов, расширение применения и использования веществ, находящихся в дисперсном состоянии и способных образовывать химически активные газовзвеси, привело к тому, что участились взрывы газовзвесей. Они обладают большой разрушительной силой и зачастую приносят большой экономический ущерб.
Дисперсные материалы используются в качестве рабочего тела в энергоустановках, двигателях (ракетных, двигателях внутреннего сгорания), газогенераторах различного назначения, в импульсной технике. Часто способные к реагированию дисперсные материалы в процессе производства, переработки или использования находятся в состоянии аэровзвеси при малых величинах объемной доли частиц (или капель)
В связи с расширением использования в практике измельченных материалов остаются актуальными исследования химического реагирования, распространения пламени в газовзвесях, исследования горения газовзвесей и дисперсных материалов в энергетических установках и двигателях и других условиях.
Природа химической активности газовзвесей может быть различной. Частицы газовзвеси могут реагировать с окислителем газовой фазы, продукты горения могут быть инертными или химически реагирующими газами либо конденсированными окислами, образующими новую конденсированную фазу либо окисную пленку на поверхности частиц. Частицы угольной пыли в процессе нагрева способны выделять горючие газообразные компоненты (летучие) и реагировать с окислителем газовой фазы гетерогенно. Частицы унитарного топлива способны гореть в инертной среде (частицы или зерна пороха).
Одна из широких сфер применения порошковых составов - использование их в качестве средств пожаротушения. Дисперсные материалы, реагирующие с поглощением тепла, нашли широкое применение в пожаротушении. Одним из способов огнепреграждения при горении газов является создание на пути пламени завесы в виде взвеси инертных или эндотермически реагирующих частиц либо аэрозоля капельной жидкости. В некоторых условиях (например, выработанное пространство угольных шахт) к устройствам пожаротушения и огнепреграждения предъявляются определенные требования, касающиеся скорости их срабатывания и создания завесы. Дисперсность аэрозоля, его массовая концентрация, скорость испарения жидкости могут влиять на эффективность воздействия завесы на пламя. В связи с этим необходимо создавать такие тушащие составы, которые наиболее^'; .эффективно взаимодействуют с высокотемпературной зоной, ^іояньгЕМ?0РенІр для
I С. Петербург , ^ \
I 09 ш&ЩІА
понижения температуры и, как следствие, уменьшения скорости распространения пламени. Предварительные оценки можно проводить на основе математического моделирования процессов взаимодействия волны горения с облаком аэрозоля.
Помимо эффекта огнепреграждения такие завесы (водяные или пылевые) уменьшают интенсивность ударной волны, распространяющейся от взрыва газовой смеси, газовзвеси или зарядов взрывчатого вещества.
В настоящее время особый интерес уделяется проблемам горения угля, угольных частиц. Это вызвано необходимостью обеспечения более экономичного и экологически чистого сжигания угля, безопасных, безаварийных технологических процессов угледобычи и углепереработки. Есть и еще одна сторона проблемы - обеспечение безопасности людей и оборудования при работе с установками, содержащими газовзвеси угольной пыли, и при угледобыче в шахтах путем недопущения возникновения взрывоопасных концентраций МВС и угольной пыли. В случае возникновения аварийной ситуации проводится комплекс мер по обеспечению безопасности людей и оборудования. В случае аварии в шахте проведение спасательных или аварийно-восстановительных работ при угрозе взрыва регламентируется Уставом ВГСЧ. Однако инженерные методики расчета взрывобезопасных расстояний, основанные на приближенных или аппроксимационных формулах зависимости интенсивности ударных волн от пройденного ими пути, не учитывают многие эффекты, существенно влияющие на интенсивность ударной волны при ее распространении в сети горных выработок. Это возможное горение угольной пыли, поднимаемой со стенок выработок по мере продвижения ударной волны, возможное возникновение серии последовательных взрывов локальных и слоевых скоплений метана, встречающихся на пути ударной волны, наличие волновых эффектов при движении газа и продуктов взрыва по выработкам.
Создание и использование новых эффективных способов и средств защиты от взрывов и ударных волн, использование водяных и пылевых завес также требует проведения более детального учета их взаимодействия с ударной волной и пламенем от взрыва МВС в шахтах. Разработка эффективной тактики применения новых дорогостоящих средств взрывозащиты также требует предварительной проработки. В связи с этим должно быть проведено обоснованное планирование расположения взрывозащитного оборудования в выработках, исходя из сведений о возможном взрыве загазованных участков выработок. Цель работы:
Изучение макрокинетики и химической газодинамики реагирования газовзвесей сложного состава. Изучение закономерностей самовоспламенения, зажигания и распространения фронта горения в химически реагирующих газовзвесях сложного состава
Изучение вопросов огнепреграждения с использованием заслонов и завес из инертных, терморазлагающихся дисперсных материалов, аэрозоли воды.
Изучение вопросов распространения ударных волн от взрыва метановоздушной смеси и горения угольной пыли в разветвленной сети выработок угольных шахт. Усовершенствование и развитие газодинамической методики расчета взрывобезопасньи расстояний при взрывах газа и пыли в выработках угольных шахт в части:
создания методик расчета взрывобезопасных расстояний при распространении взрывных волн с учетом их взаимодействия с быстровозводимыми взрывозащитными сооружениями, такими как водяные (или сланцевые) заслоны и перемычки, взрывозащитные парашютные перемычки, завалы;
разработки методик расчета взрывобезопасных расстояний при распространении взрывных волн с учетом горения угольной пыли в потоке газа и взрывов (сгорания) локальных скоплений метана и угольной пыли.
Математическое моделирование и создание методик расчетов процессов в малогабаритных системах газогенератор - трубопровод - привод. Научная новизна работы:
Сформулированы математические модели химического реагирования и горения газовзвесей сложного состава.
На основе математического моделирования изучены закономерности самовоспламенения газовзвесей сложного состава: полидисперсных, двухкомпонентных, гибридных, а также газовзвесей, дисперсная фаза которых выделяет горючие летучие компоненты, смеси аэрозолей. Получены аналитические выражения для периодов индукции самовоспламенения и критических условий самовоспламенения. Изучены режимы самовоспламенения газовзвеси, выделяющей горючие летучие компоненты.
Изучено влияние лучистого теплопереноса при зажигании газовзвесей горячей стенкой, искрой, проведен анализ зажигания газовзвеси внешним тепловым потоком с учетом переизлучения тепла частицами.
Определены зависимости критических значений энергии при искровом зажигании гибридной газовзвеси, представляющей собой взвесь угольных частиц в метановоздушной смеси, от параметров дисперсной фазы.
Определены пределы распространения фронта горения по запыленному инертными частицами газу. Получено аналитическое решение для критического теплоотвода, при котором происходит срыв горения. Проведен анализ влияния параметров дисперсной фазы и аэрозоли воды на скорость распространения фронта пламени по запыленному газу.
Изучены закономерности распространения фронта горения в гибридной газовзвеси и в газовзвеси, выделяющей горючие летучие компоненты.
Сформулирована математическая модель движения газопылевой смеси в разветвленной сети выработок шахт с учетом прихода угольной пыли со стенок в поток и ее горения. Проведен анализ влияния горения угольной пыли на интенсивность взрывных волн, распространяющихся по выработкам угольных шахт от взрыва МВС.
Предложены методики учета быстровозводимых взрывозащитных сооружений при расчете взрывобезопасных расстояний по газодинамической
методике при взрывах МВС в шахтах, таких как взрывозащитные парашютные перемычки, завалы, водяные и сланцевые заслоны.
Сформулирована математическая модель процессов в системе газогенератор - трубопровод - привод, учитывающая постепенное горение пиротехнического состава, движение продуктов сгорания по трубопроводу с учетом теплообмена и трения со стенками, поворотов и разветвлений трубопровода, движение привода. Проведено численное моделирование процессов в системе газогенератор — трубопровод - привод. Научная и практическая значимость:
Получены аналитические формулы для определения периода индукции самовоспламенения газовзвесей сложного состава, таких как полидисперсная, двухкомпонентная (с экзо- и эндотермически реагирующим вторым компонентом), смеси аэрозолей, газовзвесей, выделяющих горючие летучие компоненты.
Представлены математические модели химического реагирования и горения газовзвесей сложного состава. Адекватность моделей подтверждается сравнением решения задач с известными экспериментальными данными. Изучены зависимости скорости распространения фронта горения в газовзвеси от ее свойств. Разработанные модели позволяют делать научно обоснованные прогнозы горения газовзвесей и огнепреграждения с использованием дисперсных материалов.
Созданы математические модели и методики расчета взрывобезопасных расстояний на основе газодинамического подхода, учитывающие взаимодействие взрывных волн с взрывозащитными сооружениями и горение угольной пыли.
Созданы математические модели и методики для расчета систем газогенератор - трубопровод - привод при наличии поворотов и разветвлений трубопровода.
Исследования проводились по проектам, выполняемым в Томском государственном университете: по грантам РФФИ №98-01-03009 (рук. Е.А. Козлов), №02-01-01022 (рук. СВ. Тимченко), в рамках ЦФП «Интеграция» (№ А0060, № Б0113), по темам ЕЗН №01200202287, №01980000302, по гранту фонда CRDF проект ТО-016-02. Отдельные исследования проводились по хоздоговорным темам и вошли в отчеты по НИР для РосНИИ горноспасательного дела (г. Кемерово) и для РФЯЦ ВНИИТФ (г. Снежинск) и вошли в 14 отчетов по НИР. В соответствии с условиями договоров были переданы заказчикам 6 расчетных методик и компьютерных программ. Достоверность результатов обеспечена обоснованностью постановок задач, сопоставлением полученных аналитических формул с результатами численного интегрирования соответствующих задач, сравнением с известными результатами, полученными другими авторами, сопоставлением теоретических результатов с известными экспериментальными результатами и данными.
Автором выносятся на защиту:
результаты численного и аналитического исследования самовоспламенения газовзвесей сложного состава;
результаты численного и аналитического исследования зажигания газовзвесей сложного состава различными источниками;
результаты численного и аналитического исследования распространения фронта горения в гибридных газовзвесях различного состава;
математические модели для расчета взрывобезопасных расстояний при взрывах МВС в разветвленной сети выработок угольных шахт, учитывающие взаимодействие ударных волн с быстровозводимыми взрывозащитными сооружениями и горение угольной пыли;
результаты расчетов распространения ударных волн при взаимодействии их с взрывозащитными сооружениями, расположенными в различных местах разветвленной сети выработок;
- математическая модель и результаты расчетов работы системы
газогенератор-трубопровод-привод при наличии поворотов и разветвлений
трубопровода.
Апробация работы. Результаты исследований по теме диссертации докладывались на семинарах кафедры математической физики ТГУ, на IX Всесоюзном симпозиуме по горению и взрыву (Суздаль, 1989), XII симпозиуме по горению и взрыву (Черноголовка, 2000), XIV Всесоюзной конференции «Актуальные вопросы физики аэродисперсных систем» (Одесса, 1986), Всесоюзной школе-семинаре «Макроскопическая кинетика и химическая газодинамика» (Томск, 1989), XIV Всесоюзном семинаре по электрофизике горения (Челябинск, 1991), Международной конференции «Chemical Gasdynamics and Combustion of Energetic Materials» (Tomsk, 1995), Международной конференции «Всесибирские чтения по математике и механике» (Томск, 1997), V Международной конференции «Методы кибернетики химико-технологических процессов» (Казань, 1999), научной конференции «Фундаментальные проблемы охраны окружающей среды и экологии природопользования территориальных комплексов Западной Сибири» (Горноалтайск, 2000), Всероссийской конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики» (Томск, 1998, 2000, 2002), IV Международной научно-практической конференции «Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах» (Кемерово, 2000), Всероссийской научной конференции «Байкальские чтения по математическому моделированию в синергетических системах» (Улан-Удэ, 1999), Международной конференции «Байкальские чтения-И по математическому моделированию в синергетических системах» (Улан-Удэ, 2002), 29-th International Conference of Safety in Mines Research Institutes (Poland, 2001), VI Международной конференции «Современные методы математического моделирования природных и антропогенных катастроф» (Красноярск, 2001), Международной научно-практической конференции «Третьи Окуневские чтения» (Санкт-Петербург, 2002), а также были представлены на Международной конференции the Seventh International
Colloquium on Dust Explosions (Bergen, Norway, 1996), 16-th International Colloquium on Dynamics of Explosion and reactive systems (Kracov, Poland, 1997), Всероссийской конференции «Математические модели и методы их исследования (задачи механики сплошных сред, экологии, технологических процессов)» (Красноярск, 1997), Третьем Сибирском конгрессе по индустриальной математике (ИНПРИМ-98) (Новосибирск, 1998). Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы 46 трудах, из которых 36 статей.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы, включающего 253 наименования. Работа содержит 325 стр., в том числе 155 рисунков, и 20 таблиц.
Период самовоспламенения двухкомпонентного аэрозоля жидких окислителя и горючего
Природа и химическая активность газовзвесей может быть различной: экзотермически гомогенно реагирующие частицы (пороховые зерна, пыль), гетерогенно реагирующие с газом частицы, при этом продуктами реакции является конденсированная фаза (например, окисная пленка на поверхности частиц), либо газ, который разбавляет реагенты газовой фазы. Возможны ситуации, когда с поверхности частиц в газовую фазу поступают полупродукты окисления, либо горючие продукты разложения частиц, способные реагировать с окислителем газовой фазы (угольная пыль). Достаточно часто в некоторых производственных и технологических процессах используются газовзвеси, состоящие из перемешанных в газе химически активных частиц различной природы. Для инициирования горения газовзвеси частиц вещества с большой энергией активации добавляют частицы легковоспламеняющихся веществ [63, 69, 87]. Для предотвращения возгорания газовзвесей, пожаротушения и огнепреграждения применяют инертные либо эндотермически реагирующие порошковые составы [8,105].
Экспериментальное и теоретическое исследование самовоспламенения газовзвесей проводится давно. Были разработаны стандартные методики по определению взрываемости угольной пыли [1,3-5]. Были созданы установки по исследованию самовоспламенения и определению характеристик химического реагирования и взрывов газовзвесей различной природы. Первые теоретические работы, в которых учтено влияние различия температуры газовой и дисперсной фаз на период самовоспламенения и критические условия самовоспламенения, относятся к 1969 году [13, 14, 15]. Затем был проведен учет различных особенностей и свойств дисперсной фазы [16, 37, 60-64, 103]. В [13, 15] получена аналитическая формула для периода индукции воспламенения совокупности частиц. В работах [62-64] предложены математические модели воспламенения газовзвеси в условиях относительного движения фаз и сложной кинетики химических реакций. В работах [34, 64, 103] было проведено сравнение теоретических результатов, полученных на основе моделей, учитывающих двухтемпературность среды, с экспериментальными результатами для критических условий самовоспламенения монодисперсной газовзвеси [34] и периода индукции самовоспламенения [103], показавшее хорошее совпадение результатов, получаемых на основе двухтемпературных моделей с экспериментальными данными. Исследованию горения аэрозоли окислителя и горючего в камерах сгорания жидкостных ракетных двигателей на двухкомпонентных топливах во время его работы и при запуске посвящено множество работ (см., например, [214-216]). Однако горение таких смесей моделируется на основе рассмотрения горения капли горючего в среде газообразного окислителя или капли окислителя в среде газообразного горючего [214, 215, 217]. При этом не учитывается одновременность испарения обоих компонентов жидкого топлива и эффекты взаимовлияния капель в процессе тепло- и массообмена. Учет одновременности процесса испарения капель окислителя и горючего важен при моделировании запуска ЖРД, при моделировании процесса горения смеси в камере ЖРД на этапе ее самовоспламенения при движении в камере сгорания для корректного определения кривой выгорания [216], а также при исследовании воспламенения облака смеси аэрозолей в открытом объеме. Однако некоторые вопросы, касающиеся учета различной природы и сложного состава газовзвесей при самовоспламенении не получили достаточного анализа. В связи с этим в данной главе проводится исследование самовоспламенения газовзвесей сложного состава. Традиционно задачи о самовоспламенении химически активных сред с источниками тепла, зависящими от температуры по закону Аррениуса, записываются в безразмерных переменных и параметрах с использованием в качестве масштаба температуры Семеновский интервал температур RT.2/E, где в качестве Т. выбирается начальная температура газовзвеси. Для задач о самовоспламенении газовзвесей химически реагирующих частиц в качестве масштаба времени — характерное время реакции на частицах при этой температуре. Такой выбор масштабов задачи приводит к появлению двух основных параметров, характеризующих дисперсную фазу - # «cA/v]J0/(3A,Mif.) (интенсивность теплообмена частицы с газом) и В = 4/3nrl0ckpk/(cgpg) (массовая концентрация дисперсной фазы). Системы уравнений, описывающие самовоспламенение газовзвесей представляют собой систему обыкновенных дифференциальных уравнений. Такие системы обладают свойством жесткости. Для решения систем уравнений, обладающих таким свойством, разработаны эффективные численные методы [218]. При решении задач, представленных в настоящей главе используются методы Рунге-Кутта и Рунге-Кутта-Мерсона с автоматическим выбором шага интегрирования. Особое внимание уделялось тестированию численных методик и программ. Тестирование проводилось путем сравнения результатов численного решения модельных задач с известными аналитическими и численными решениями, сравнением численных и приближенных аналитических решений задач, проверкой выполнимости термодинамических соотношений в численных решениях. В процессе выполнения расчетов проводился контроль выполнимости законов сохранения массы и энергии газовзвеси.
Исследование зажигания различными источниками и выхода на режим послойного горения гибридной газовзвеси (смеси реагирующих газов и частиц)
Для определения точности приближенной аналитической оценки критических условий воспламенения (1.2.28) численно решалась нестационарная задача (1.2.4)-(1.2.6) с начальными условиями (1.2.7) для случая, когда компонент 2 эндотермический. В численных расчетах значение критической величины соотношения массовых концентраций Вх1Вг определялось следующим образом: Если эндотермический компонент отсутствует ( 2?! / В2 = оо ), то самовоспламенение происходит всегда, с периодом rig. С появлением в газовзвеси некоторой массовой концентрации эндотермического компонента период самовоспламенения увеличивается, и чем она больше, тем больше увеличивается период воспламенения. При некоторой массовой концентрации эндотермического компонента температуры газа и частиц, повысившись в начальный период до некоторых величин, затем всегда остаются постоянными. Значения критической величины соотношения массовых концентраций компонентов Вх I Вг определялись с точностью 2 %. Результаты численного решения представлены на рис. 1.6, 1.7, где кривые разделяют области взрывного протекания реакции (ниже кривых) и стационарного реагирования (выше кривых). При одинаковой массовой концентрации компонентов с увеличением размера частиц экзотермического компонента для обеспечения стационарного протекания реакции необходимо увеличивать теплопоглощение в эндотермической химической реакции, т.е. использовать частицы из вещества с большим теплопоглощением в химической реакции. С увеличением размера частиц эндотермического компонента для обеспечения стационарного протекания реакции необходимо также использовать частицы с большим теплопоглощением в химической реакции (см. рис. 1.6).
На рис. 1.7 видно, что с увеличением соотношения BjB2 и энергии активации эндотермической химической реакции необходимое теплопоглощение в химической реакции увеличивается. С уменьшением размера частиц эндотермического компонента зависимость критической величины теплопоглощения от энергии активации химической реакции становится слабее (см. рис. 1.7 б)). Приведенные в [1] оценки показывают, что для флегматизации горения химически активной газовзвеси необходимо добавлять 70 - 80 % (по массе) порошкового ингибитора. Как показывают проведенные расчеты, при использовании эндотермически реагирующих частиц их массовая концентрация, необходимая для предотвращения возгорания, может быть значительно меньше.
На рис. 1.7 пунктирными линиями представлены зависимости, построенные по формуле (1.2.28). Видно удовлетворительное согласие результатов численного решения задачи с полученными по приближенной аналитической формуле (1.2.28). При увеличении энергии активации и теплового эффекта эндотермической химической реакции аналитическая зависимость начинает отклоняться от результатов численного решения задачи, и при Е \,5 и б 5 отклонение составляет более 20 %. (Эти условия близки к нарушению условия (1.2.23).) Полученная приближенная аналитическая формула для критических условий воспламенения двухкомпонентной газовзвеси частиц с экзо- и эндотермическими реакциями дает с точностью 15% совпадение с численным решением полной системы уравнений в диапазоне изменения параметров 0,5 1,5, 1 б( 5.
При добыче угля и его переработке, в некоторых технологических процессах химической промышленности, энергетики создаются газовзвеси, состоящие из смеси химически реагирующих газов с взвешенными в ней частицами, гетерогенно реагирующими с одним из компонентов газовой фазы (гибридные газовзвеси). Исследуем самовоспламенение гибридной газовзвеси в следующей постановке.
Постановка задачи. Рассматривается неподвижное облако гибридной газовзвеси. Предполагается, что частицы равномерно перемешаны в газе, имеют сферическую форму и одинаковый размер. В газе и на поверхности частиц идет химическая реакция, зависящая от температуры по закону Аррениуса. Теплообмен между газовой фазой и частицами предполагается по закону Ньютона. Выгоранием компонентов газовой фазы и частиц на этапе самовоспламенения пренебрегаем. Распределение температуры внутри частиц не учитывается.
Система уравнений, описывающая процессы в рассматриваемой газовзвеси, состоит из уравнений тепловых балансов для частиц и газовой фазы. В безразмерной форме она имеет вид:
Распространение пламени в гибридной газовзвеси с неоднородной концентрацией частиц
Было проведено сравнение полученной аналитической формулы с численным решением задачи (1.4.7)-(1.4.12) в широком диапазоне изменения параметров задачи 0 0N 5, 0,1 mi 0,5, 0,5 й %t, , 5, 0.001 Ц 0,003, 0,05 А, 0,3, 1 с, , 1,3, 1 г2 0 1,75, у = 0,001, р = 0,01... Результаты расчетов приведены в таблице 1.3. Результаты вычислений периода самовоспламенения по формуле (1.4.31) согласуются с результатами, полученными из решения системы уравнений (1.4.7)-(1.4.12) в исследованном интервале изменения параметров с точностью до 20%. Как видно из таблицы 1.3, отличие значений периода индукции, посчитанных численно и по аналитической формуле, возрастает при увеличении с, и увеличении начальной температуры капель аэрозоли. Это обусловлено тем, что при выводе формулы (1.4.31) при rv пренебрегается химической реакцией, в то время как при повышенной температуре капель во время испарения температура газовой смеси остается достаточно высокой и тепловыделение от химической реакции в этот период ускоряет процесс испарения капель. численного моделирования с увеличением х» аі- СІ 4» г2.о и с уменьшением А, период самовоспламенения монотонно увеличивается. С изменением массовой концентрации компонентов аэрозоля наблюдается немонотонная зависимость периода самовоспламенения (рис. 1.11). При малых значениях массовых концентраций, с их увеличением период самовоспламенения уменьшается, а затем начинает увеличиваться. Минимум периода воспламенения соответствует такой массовой концентрации компонентов аэрозоля, когда массовая концентрация их соответствует плотности насыщенных паров этих компонентов, и за период испарения капли компонентов аэрозоля испаряются полностью.
Вопросам моделирования работы дизельных двигателей и двигателей внутреннего сгорания посвящено много работ (см. например [221-227]. Однако, в этих работах основной процесс - сгорание топлива — моделируется в упрощенном виде. Современные достижения теории горения дисперсных систем и аэрозолей позволяют более детально рассмотреть процессы, проходящие в дизельном двигателе при сжатии топливо-воздушной смеси — испарение капель топлива, самовоспламенение и сгорание его в условиях переменной величины объема.
В данном разделе проводится исследование влияния параметров, характеризующих дисперсную фазу (капли аэрозоля) на эффективность работы дизельного двигателя в различных режимах на основе модели, учитывающей постепенное испарение и сгорание аэрозоля топлива в условиях переменного объема камеры сгорания поршневого двигателя. В п. 1.4, [178-180], представлена модель самовоспламенения двухкомпонентного аэрозоля горючего и окислителя. На основе этой модели формулируется модель горения топлива в условиях дизельного двигателя при следующих допущениях: предполагается мгновенное впрыскивание топлива в цилиндр двигателя в момент, когда коленчатый вал достигает определенного положения; капли топлива после впрыска равномерно распределены в камере сгорания и имеют одинаковый размер; теплообменом между стенками цилиндра и рабочей смесью пренебрегаем; скорости движения газа и капель не учитываются; испарение капель топлива происходит по закону Клапейрона-Клаузиуса; между парами топлива и кислородом воздуха происходит экзотермическая химическая реакция второго порядка, зависящая от температуры по закону Аррениуса; вращение коленчатого вала полагается равномерным.
Система уравнений, описывающая процессы в камере сгорания в условиях переменного ее объема состоит из уравнений энергии газа и капель горючего, уравнений для размера капель, плотности окислителя и паров горючего, сохранения массы смеси и уравнения состояния газа и записывается в виде:
Здесь / - теплота испарения, п0, пп - массовые стехиометрические коэффициенты, h - половина длины хода поршня в цилиндре, 5 - площадь поршня, V - объем камеры сгорания, со - угловая скорость вращения коленчатого выла, А - константа в законе Клапейрона-Клаузиуса. Индексы: 1 -газ, к - капли, п - пары топлива, да - пары топлива вдали от капли.
Система уравнений (1.5.1)-(1.5.10) записывалась в безразмерных переменных, в качестве масштабов выбирались следующие величины: t,=cvRT.2/E/(Qk0p,exp(-E/RT.)) - времени - характерное время химической реакции при температуре Г. - значение температуры в верхней мертвой точке хода поршня при адиабатическом сжатии газа, р. = р10 - плотности - значение плотности газа в начале такта сжатия, Vt = V0 - объема — объем камеры, когда поршень находится в нижней мертвой точке. С использованием безразмерных переменных r = tlt, - время, 0 = E/RTt2(T,) - температура, р = р/р, -плотность, гк=гк/п - размер капель, V = VIV„ - объем камеры, система уравнений (1.5.1)-(1.5.10) принимает вид.
Методика учета влияния взрывозащитных парашютных перемычек на интенсивность ударной волны в сети выработок угольных шахт
Было проведено исследование влияния частоты вращения коленчатого вала на эффективность работы двигателя. Результаты представлены на рисунке 1.14 штриховыми линиями. Видно, что при увеличении скорости вращения коленчатого вала в случае мелких частиц величина оптимального угла впрыска смещается в сторону меньших величин, и зона оптимальных углов впрыска растягивается (рис. 1.14, кривые 1, Г), причем при позднем впрыске топлива эффективность работы двигателя падает незначительно. При больших размерах капель увеличение угловой скорости вращения коленчатого вала приводит к сильному падению эффективности работы двигателя: оптимальный момент впрыска при # = 1500 и Q = 0,001 становится неоптимальным при 2 = 0,003 (рис. 1.14, кривые 3, 3 ), происходит резкое падение эффективности работы двигателя. Аналогичные зависимости получаются при увеличении массы впрыскиваемого топлива в 2 раза.
Проведенное исследование показывает, что для эффективной работы дизельного двигателя одним из основных факторов является дисперсность впрыскиваемого топлива в двигатель. При хорошей дисперсности переход с режима на режим работы двигателя происходит без потерь мощности двигателя.
В технологических процессах угледобычи и углепереработки встречаются газовзвеси угольной пыли, находящиеся в различных условиях, отличающиеся дисперсностью, температурой и другими параметрами [1, 5, 7, 130]. Уголь обладает свойством выделения адсорбированного в нем метана и других летучих компонентов при нагревании [5, .7]. Летучие компоненты в угле составляют от 20% до 70% массы, в зависимости от его сорта [5]. Они интенсивно выделяются при горении угля, их выделение играет существенную роль при воспламенении и зажигании различными источниками газовзвесей угольной пыли и в зависимости от содержания летучих компонентов в углях различается способность газовзвесей угольной пыли к взрыву [5]. Присутствие в окружающем воздухе горючей газовой компоненты (выделяющийся на начальной стадии адсорбированный метан, затем, при нагревании, другие углеводороды) повышает способность газовзвеси угольной пыли к самовоспламенению, облегчает зажигание газовзвеси различными источниками [1,5, 130].
Построим математическую модель химического реагирования газовзвеси частиц материала, способного к выделению летучих компонентов.
Рассматривается газовзвесь, состоящая из мелких частиц, равномерно распределенных в газе, имеющих сферическую форму и одинаковый радиус. Газ представляет собой смесь окислителя и инертного газа. Частицы состоят из вещества с развитой внутренней пористостью. Размер пор много меньше размера частицы. На поверхности пор имеется адсорбированный горючий газ, вещество частиц способно при нагревании разлагаться на газообразные компоненты, способные экзотермически реагировать с окислителем газовой фазы. Образующиеся внутри частиц горючие летучие компоненты по порам выходят в окружающий газ, перемешиваются с ним и реагируют с окислителем. Предполагается, что в объеме частиц идет реакция выделения летучих компонентов, зависящая от температуры по закону Аррениуса. В [7] на основании обработки экспериментальных данных было установлено, что реакция выделения летучих компонентов из объема угольных частиц соответствует реакции первого порядка и установлены формально-кинетические параметры этой реакции. Предполагается, что выделение летучих компонентов приводит к изменению плотности частицы и не изменяют ее размер. Выделившиеся летучие через поверхность частицы выходят в окружающий частицы газ, перемешиваются с несущей фазой газовзвеси и могут вступать в реакцию с окислителем. Реакция в газовой фазе предполагается зависящей от температуры по закону Аррениуса и идет по второму порядку. Окислитель также может вступать в гетерогенную реакцию с частицами с образованием газообразных продуктов реакции, скорость которой описывается по зависимостям, учитывающим скорость массообмена частицы с окислителем [11, 49]. Гетерогенная реакция приводит к изменению радиуса частиц. В рассматриваемой газовзвеси идут три химические реакции, отличающиеся механизмом протекания: выделение летучих, гетерогенная реакция на поверхности частиц, гомогенная реакция второго порядка в газе.
Выделяющиеся летучие компоненты и газообразные продукты гетерогенной реакции образуют стефановский поток от частицы, который изменяет тепло- и массообмен частицы с газом, что влияет на химическое реагирование и, как следствие, на период самовоспламенения. Предполагается, что процесс развития химического реагирования происходит в условиях постоянного объема, поэтому термическое и химическое расширение газа не учитывается; различие теплоємкостей продуктов реакции, выделившихся летучих компонентов и несущей газовой фазы предполагается несущественным; распределение температуры внутри частиц равномерное.
Математическая модель химического реагирования в рассматриваемой газовзвеси состоит из уравнений сохранения массы и энергии газовой фазы, уравнений энергии и изменения массы частиц [176,180].
