Введение к работе
Актуальность темы
Существенным фактором антропогенного воздействия реактивной авиации на атмосферные процессы и климат является эмиссия аэрозольных частиц. Важное место среди них занимают сажевые частицы, способные влиять на атмосферу и климат за счет формирования долгоживущих конденсационных следов. Экспериментальным путем установлено, что центрами конденсации водяных паров при формировании видимого конденсационного следа самолета являются частицы гидрофильной фракции сажевого аэрозоля.
Причины гидрофильности части сажевых частиц долгое время оставались непонятыми и были источником разнообразных гипотез и предположений. Выполненные недавно детальные исследования физико-химических свойств сажи позволили связать гидрофильность сажевых частиц с наличием в их составе водорастворимых веществ (ВРВ). В то же время, эти исследования, поставили новые вопросы: каковы причины появления ВРВ на саже? Почему молекулы ВРВ обнаружены только у части сажевых частиц? Почему молекулы ВРВ регистрируются на саже, образующейся в камерах сгорания (КС) турбореактивных двигателей (ТРД), но не, например, в ламинарных пламенах? Пока эти, а также многие другие вопросы остаются открытыми.
По мнению ряда исследователей, накопление ВРВ на саже происходит непосредственно в КС и напрямую связано с другим феноменом -электрической зарядкой частиц сажи. Предполагается, что аккумуляция частицами сажи молекул ВРВ обусловлена зарядово-дипольным взаимодействием заряженных сажевых частиц и полярных молекул продуктов сгорания, поступающих в зону образования и зарядки частиц сажи с обратными токами. Проверка этой гипотезы может быть выполнена путем моделирования всего комплекса процессов, протекающих при горении углеводородного топлива, включая образование заряженных сажевых частиц. Однако такое моделирование должно предваряться исследованием природы феномена электрической зарядки сажевых частиц. Поэтому изучение механизмов образования электрически заряженных сажевых частиц представляет первостепенный интерес.
Еще одним типом аэрозольных частиц, загрязняющих атмосферу при полетах реактивной авиации, являются частицы сульфатного аэрозоля (СА), образованные мельчайшими капельками водного раствора H2SO4. Частицы СА формируются в выхлопной струе ТРД за счет конверсии серы, содержащейся в топливе, в оксиды серы в камере сгорания (КС) и, затем, в серную кислоту при расширении продуктов горения в турбине и сопле ТРД. Частицы СА могут влиять на атмосферные процессы как косвенно, через увеличение планетарного альбедо, так и прямо, за счет гетерогенных реакций, протекающих на их поверхности. Особое место среди данных реакций занимают гетерогенные процессы, в которых образуется молекулярный хлор, способный фотодиссоцировать и вступать в реакцию с атмосферным озоном. Считается, что
именно эти процессы лежат в основе гетерогенного механизма разрушения озонового слоя в полярных областях Земли на высотах более 20 км. Эмиссия авиацией частиц СА может инициировать подобный процесс в умеренных широтах, где проходят основные трассы полетов самолетов пассажирской реактивной авиации. Для количественной оценки скорости этого процесса необходима информация о свойствах сульфатных частиц, таких, как концентрация, распределение по размерам, химический состав. Это требует создания моделей образования сульфатных частиц в выхлопных струях ТРД прогностического уровня. Первоначально все модели образования СА в выхлопных струях ТРД базировались на классической теории гомогенной бинарной H2O/H2SO4 нуклеации (ГБН). Сопоставления результатов расчетов по этим моделям с полетными экспериментами выявили существенное расхождение, особенно в части, касающейся образования крупных летучих частиц с диаметром более Юнм. Мнение научного сообщества о механизмах образования этих частиц разделилось. На сегодня доминирующей стала точка зрения, согласно которой крупные частицы образуются за счет быстрого роста заряженных сульфатных частиц, образующихся в результате ионно-индуцированной нуклеации (ИИН) паров Н20 и H2S04 на ионах, содержащихся в продуктах сгорания авиационного топлива. Однако модели, которые использовались для обоснования этой точки зрения, основывались на целом ряде весьма спорных допущений. В последнее время, в связи с появлением нового поколения теорий нуклеации, особенностью которых является использование термодинамических функций малых кластеров, полученных методами вычислительной квантовой химии, появилась возможность более точно установить роль ИИН паров Н20 и H2S04 при формировании СА в выхлопных струях ТРД.
Цели работы:
создание новых и развитие существующих методов расчета скоростей процессов, определяющих эволюцию частиц ультрадисперсных заряженных аэрозолей, образующихся при горении углеводородного топлива в диффузионных камерах сгорания, а также в продуктах выхлопа турбореактивных двигателей;
определение механизма образования заряженных сажевых частиц при горении углеводородного топлива в воздухе;
создание физико-математической модели формирования сульфатного аэрозоля в струях самолетов реактивной дозвуковой авиации и исследование влияния ионно-индуцированной нуклеации паров Н20 и H2S04 на формирование сульфатных частиц;
определение механизмов формирования частиц СА в выхлопных струях турбореактивных двигателей.
Основные задачи исследования:
- анализ процессов, определяющих эволюцию конденсированных частиц
ультрадисперсных заряженных аэрозолей, образующихся при горении
углеводородного топлива в воздухе, а также в продуктах выхлопа ТРД;
развитие методики расчета констант коагуляции нейтральных и заряженных частиц в свободно-молекулярном режиме, основанной на концепции сферы захвата;
создание методики расчета скорости осаждения полярных молекул на заряженных частицах, базирующейся на траекторных расчетах;
создание методики расчета скорости конденсации в свободно-молекулярном режиме с учетом действия молекулярных сил со стороны капли на молекулы пара;
создание физико-математической модели образования полидисперсного ансамбля электрически заряженных и нейтральных сажевых частиц при горении углеводородного топлива в воздухе;
исследование динамики формирования сажевых частиц в пламенах и определение механизмов, ответственных за зарядку частиц сажи;
построение физико-химической модели образования сульфатного аэрозоля в выхлопных струях ТРД прогностического уровня, описывающей образование и рост как нейтральных, так и заряженных сульфатных частиц;
определение влияния ионно-индуцированной H20/H2S04 нуклеации на суммарное распределение сульфатных частиц по размерам и исследование механизмов формирования фракции крупных сульфатных частиц в выхлопных струях ТРД.
Научная новизна:
разработана физико-химическая модель образования электрически заряженных частиц сажи в ламинарном углеводородно-воздушном пламени;
создана математическая модель и разработан численный алгоритм, решения системы кинетических уравнений, описывающих образование полидисперсного ансамбля нейтральных и заряженных сажевых частиц, базирующийся на методе фракций;
выполнено сравнение результатов моделирования образования заряженных частиц сажи с экспериментом и определена роль различных механизмов в формировании заряженных сажевых частиц;
разработана физико-математическая модель образования частиц СА в выхлопных струях ТРД, основанная на теории нестационарной ионно-индуцированной H2O/H2SO4 нуклеации, описывающая рождение и рост заряженных и нейтральных сульфатных частиц;
на основе модели образования частиц СА в выхлопных струях ТРД выполнен анализ влияния ионно-индуцированной нуклеации на эмиссию сульфатных частиц, а также получены данные о механизме формирования фракции крупных сульфатных частиц.
Научная н практическая ценность работы. Решение поставленных в оте задач обеспечивает более полное представление о физико-химических
процессах, происходящих при горении углеводородного топлива в пламенах, в камерах сгорания, а также о микрофизических процессах в выхлопных струях энергоустановок и авиационных газотурбинных двигателей.
Разработанные модели и комплексы программ могут использоваться для оценки эмиссии в атмосферу сульфатных аэрозолей и уже используются в рамках проекта Европейского Сообщества HISAC (2005-2009гг.) для определения эмиссионных характеристик перспективного ТРД, которым предполагается оснастить новое поколение самолетов «бизнес-класса», и для определения сценариев воздействия полетов парка такого типа самолетов на атмосферные процессы и климат. Возможно также использование разработанных физико-математических моделей в методах диагностики пламен, процессов горения и пиролиза углеводородного топлива и использование комплексов компьютерных программ для оценки эмиссии аэрозольных частиц реактивными двигателями на этапе их проектирования на Российских предприятиях аэрокосмической отрасли.
Полученные в работе результаты имеют значение не только в исследованиях эмиссионных характеристик ТРД, но и для атмосферной химии, для анализа механизмов образования твердых и жидких заряженных наночастиц в различных системах: разряд, пиролиз, лазерная абляция, атмосфера и др., для прогнозирования эмиссии аэрозольных частиц двигателями различных транспортных систем (ДВС, дизели и др.).
Достоверность результатов диссертационной работы обусловлена корректностью и обоснованностью применяемых моделей, контролем сходимости численных решений, сравнением с результатами экспериментальных измерений.
На защиту выносятся:
методики расчета констант скоростей процессов, определяющих эволюцию ультрадисперсных заряженных аэрозолей;
модель образования заряженных и нейтральных сажевых частиц при горении углеводородного топлива в воздухе;
роль механизмов, основанных на захвате ионов и термоэлектронной эмиссии, при образовании заряженных сажевых частиц;
модель образования нейтральных и заряженных частиц СА в выхлопных струях ТРД;
характер влияние ионно-индуцированной нуклеации на формирование сульфатного аэрозоля в струе и следе ТРД;
роль межчастичного взаимодействия, обусловленного силами Ван-дер-Ваальса, на образование сульфатных частиц.
Апробация работы и публикации. Основные результаты исследований докладывались на всероссийской научно-технической конференции "Проблемы сжигания углеводородных топлив", Москва, 1998; на всероссийской конференции, посвященной 40-летию Института механики МГУ, Москва, 1999;
Москва, 2000; на международной конференции "International Conference on
Multiphase Systems", Уфа, 2000; на VIII всероссийском съезде по теоретической
и прикладной механике, Пермь, 2001; на международном симпозиуме
"Nonequilibrium Process in Combustion and Plasma Based Technologies", Минск,
2004; на международной конференции "European Aerosol Conference", Бельгия,
2005; на 2-ом международном симпозиуме "Cold Atmospheric Pressure Plasmas:
Source and Applications", Брюгге, Бельгия, 2005; '
на международной конференции "International Conference on the Physics of Dusty and Burning Plasmas", Одесса, 2007; на международной конференции "35th IEEE International Conference on Plasma Science ", Карлсруэ, Германия, 2008; на международной конференции "28th International Conference on Phenomena in Ionized Gases", Чехия, 2007; на международном симпозиуме "Nonequilibrium Process in Combustion and Atmospheric Pollution", Сочи, 2009.
Личный вклад автора. Основные результаты диссертации получены непосредственно автором, либо при его прямом участии в качестве ведущего исполнителя на важнейших этапах работы: постановка задачи, разработка физико-математических моделей, алгоритмов расчета, обработки и оформления полученных результатов, подготовки публикаций.
Публикации. Результаты, представленные в диссертации, опубликованы в 30 работах, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, включающего 177 наименований. Работа изложена на 180 листах машинописного текста, содержит 54 рисунка, 3 таблицы.
