Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Роль неустойчивости Ландау-Дарье в эволюции пламени и переходе от медленного горения к детонации при генерации плазмы Валиев Дамир Магсумович

Диссертация, - 480 руб., доставка 1-3 часа, с 10-19 (Московское время), кроме воскресенья

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Валиев Дамир Магсумович. Роль неустойчивости Ландау-Дарье в эволюции пламени и переходе от медленного горения к детонации при генерации плазмы : диссертация ... кандидата физико-математических наук : 01.04.08, 01.04.14 Москва, 2007 115 с., Библиогр.: с. 110-115 РГБ ОД, 61:07-1/1429

Введение к работе

Диссертация посвящена исследованию методами численного моделирования динамики дозвукового горения и детонации газообразных горючих смесей применительно к задачам получения низкотемпературной плазмы

Актуальность работы

Процессы горения газообразных горючих смесей являются эффективным средством высвобождения химической энергии, которая далее используется в широком диапазоне технических приложений, от обогрева помещений, взрывных работ, работы двигателей до образования низкотемпературной плазмы В последнем случае вопросы реализации эффективных и стабильных режимов горения представляются наиболее критичными, так как интенсивность энергии, выделяемой за счет экзотермических реакций, даже для наиболее энергетически выгодных реакций лежит вблизи нижних пределов ионизации большинства веществ, используемых в качестве источников плазмы Это делает актуальным более детальное исследование ведущих физических факторов, определяющих эффективность преобразования химической энергии вещества в тепловую энергию

Несмотря на то, что процессы горения известны с древности, многие практически значимые проблемы не получили окончательного решения в силу сложного нелинейного характера процессов Поэтому для научно обоснованного совершенствования подходов к эффективному преобразованию химической энергии необходим дальнейший детальный анализ отдельных, еще недостаточно изученных, аспектов науки о горении Из большого разнообразия физических факторов, определяющих газодинамику горения, наименее изученными в настоящее время являются процессы нелинейного развития неустойчивостей фронта пламени и переходные процессы от дозвукового к сверхзвуковому режиму распространения фронта горения

В силу большой нелинейности рассматриваемых процессов и, зачастую, невозможности их исследования аналитическими методами, одним из основных методов теоретического изучения горения газообразных топлив в задачах получения низкотемпературной плазмы является численное моделирование

Накопленный в физике горения опыт показывает, что применение упро-щеннных физико-математических моделей, как правило, не дает результатов, требуемых для решения практически значимых задач Таким образом, актуальной является задача непосредственного численного решения полной системы исходных уравнений, определяющих динамику вязкой теплопроводной жидкости с учетом многокомпонентной диффузии и энерговыделения за счет химических реакций Принципиальная сложность численного решения задач физики горения газообразных смесей состоит в том, что эволюция зоны

горения и исследуемые переходные режимы носят сугубо разномасштабный пространственно-временной характер и к тому же не могут достоверно рассматриваться в одномерной геометрии Все это выдвигает высокие требования к техническим характеристикам используемых для расчета компьютеров, удовлетворить которые стало возможным только в последнее десятилетие с появлением современных высокопроизводительных многопроцессорных комплексов Это позволило приступить к решению многих актуальных задач физики горения, часть из которых рассматривается в настоящей работе

Цель диссертационной работы

Основной целью настоящей работы является исследование методами численного моделирования роли газодинамической неустойчивости пламени в эволюции фронта пламени и переходе от дозвукового к детонационному режиму горения в газообразных горючих смесях, а также оценка характеристик плазмы, получаемых в результате сжигания газообразного топлива

Для достижения целей работы численные эксперименты были выполнены в двух практически значимых базовых постановках

распространение горения и переход медленного горения в детонацию в трубах

распространение горения в открытых пространствах

Научная новизна работы

  1. В результате численного моделирования установлено, что при распространении ламинарного пламени в трубах фронт пламени стремится к установлению простой выпуклой формы без точек перегиба, при этом фракталоПодобная структура фронта пламени не формируется

  2. Получена зависимость скорости стационарного пламени от ширины трубы для различных коэффициентов теплового расширения газовой смеси

  3. В результате численного моделирования свободно распространяющихся пламен в двумерной геометрии установлено, что в прямом численном моделировании развитие гидродинамической неустойчивости (неустойчивости Ландау-Дарье) приводит к формированию фракталоподобной структуры фронта пламени

  4. Методами численного моделирования показано, что для свободно распространяющегося пламени в двумерной геометрии зависимость радиуса фронта пламени от времени соответствует степенному закону с показателем 1 25, при этом полученная фрактальная размерность поверхности фронта находится в хорошем соответствии с теоретическими оценками

  5. Методами численного моделирования показано, что в достаточно широких по сравнению с шириной фронта пламени каналах классическая

неустойчивость Ландау-Дарье может приводить к появлению в складках пламени интенсивно нагреваемых областей несгоревшей смеси, что способствует резкому переходу от дефлаграционного к детонационному горению Переход происходит, когда подъем давления за счет самовоспламенения в нагреваемых областях становится достаточно высоким для создания ударной волны, поддерживающей детонацию 6 Показано, что в результате развития неустойчивости Ландау-Дарье переход от дефлаграционного к детонационному горению может происходить на масштабах порядка 10 см и может быть использован для получения низкотемпературной плазмы в детонационных МГД-генераторах при применении газообразных взрывчатых веществ (ВВ) в качестве рабочего тела, а также в качестве ВВ, альтернативных пороховым зарядам, при формировании детонационной (ударной) волны в камере сгорания Плазма, которая может быть образована при использованиии газообразных взрывчатых веществ, как в качестве альтернативы пороховым зарядам, так и в качестве рабочего тела МГД-генератора, по оценкам может достигать характеристик, удовлетворяющих требованиям плазмы МГД-генераторов

Достоверность результатов

Для того, чтобы убедиться в правильном воспроизведении важных свойств потока, для каждой задачи была проведена серия тестовых расчетов Достоверность результатов подтверждается хорошим согласием результатов как с теоретическими оценками, так и с ранее полученными экспериментальными результатами, в том числе с данными специально поставленных экспериментов по возникновению стука в двигателях с искровым поджигом При численном моделировании этого процесса использовалась химическая кинетика, уравнения состояния и коэффициенты переноса, описывающие реальные топливные смеси

Научная и практическая ценность работы

Полученные результаты могут быть использованы широким кругом специалистов в области прикладной и теоретической физики горения и детонации газообразных топлив Результаты работы могут способствовать развитию ряда приложений, связанных с преобразованием химической энергии в тепловую и генерацией низкотемпературной плазмы Выводы диссертации могут использоваться при конструировании перспективных импульсных детонационных двигателей и импульсных детонационных МГД-генераторов

Разработанный пакет вычислительных программ позволяет проводить многомерные расчеты горения реальных топлив и может быть использован при

расчетах процессов горения в камерах сгорания двигателей, турбинных установок, обогревательных систем

Основные научные положения, выносимые на защиту

  1. Закономерность эволюции фронта пламени в трубах и зависимость скорости распространения пламени от ширины трубы

  2. Закономерности эволюции фронта пламени в открытом пространстве, сравнительный анализ автомодельных режимов распространения пламени в двумерной и трехмерной геометриях

  3. Новые результаты по переходу горения в детонацию за счет деформации фронта пламени при развитии газодинамической неустойчивости

  4. Возможность корректного численного моделирования процессов сжигания реальных углеводородных топлив в камерах сгорания технических устройств

  5. Возможность применения газообразных горючих смесей для получения низкотемпературной плазмы в импульсных МГД-генераторах

Апробация работы

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях и семинарах XLVII Научной конференции МФТИ 26 - 27 ноября 2004 года, 20th International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems (ICDERS), Монреаль, Канада, 31 июля - 5 августа 2005 года, The 16 International Symposium on Transport Phenomena (ISTP-16), Прага, 29 августа - 1 сентября 2005 года, ECCOMAS Thematic Conference on Computational Combustion, Лиссабон, Португалия, 21 - 24 июля 2005 года, ECCOMAS CFD Conference 2006, TU Delft, Нидерланды, 5-8 сентября 2006 года, International Symposium on Shock Waves, Геттинген, Германия, 15 - 20 июля 2007 года, 21st International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems (ICDERS), Пуатье, Франция, 23 -27 июля 2007 года, а также на семинаре ИТЭС ОИВТ РАН

Публикации

Основные научные результаты диссертации отражены в 16 научных работах, среди которых 1 статья в журнале из перечня ВАК, 4 публикации в прочих реферируемых журналах, 2 главы в книгах, а также 9 публикаций в сборниках материалов и тезисов научных конференций

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы, содержит 115 страниц и 44 рисунка Список использованной литературы насчитывает 83 наименования

Личный вклад автора

Вклад автора в работы, вошедшие в диссертацию, является одним из основных Автор принимал активное участие в постановке научных задач Им проведена разработка и существенная модификация компьютерных кодов и проведены все основные численные расчеты Автором была выполнена обработка и проведен анализ полученных численных результатов На основании результатов исследований им сформулированы и обоснованы выводы, вошедшие в диссертацию

Похожие диссертации на Роль неустойчивости Ландау-Дарье в эволюции пламени и переходе от медленного горения к детонации при генерации плазмы