Численное моделирование течений реагирующих газокапельных смесей тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

На правах рукописи

/

СТРЕЛЬЦОВ Вячеслав Юльевич

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕЧЕНИЙ РЕАГИРУЮЩИХ ГАЗОКАЛЕЛЬНЫХ СМЕСЕЙ

Специальность 01.02.05 "Механика жидкостей, газа и плазмы"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1997

Работа выполнена на : кафедре "Вычислительная математика и программирование" Московского государственного авиационного института (технического университета)

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор У. Г. Пирумов

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор A.JI. Стасенко

кандидат физико-математических наук, вед. научн. сотр. Е.Г. Колесниченко

Ведущая организация - Исследовательский Центр им. М.В. Келдыша

Защита состоится "_//_" 'QPmze^ht_ 1997 г. На заседании

диссертационного совета К 053.18.02 в Московском государственном авиационном институте (техническом университете).

Адрес института: 125871, Москва, Волоколамское шоссе, д. 4

Автореферат разослан " ^ " ¿¿¿ttvx^/iJL. 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук —А.В. Муслаев

Актуальность работы. Горение факела распыленного жидкого горючего в газообразном окислителе лежит В основе рабЬчего процесса многих типов двигателей, в частности, таких практически вйжных, 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 распыливания 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

I ' '

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: 1

- 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 г 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. Г1ри 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.

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.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении приводится обоснование актуальности работы, содержится обзор работ по численному моделированию течений газокапельных смесей и моделям основных явлений и процессов, определяющих в совокупности временную эволюцию состояний реагирующих газокапельных смесей. Исходя из этого, конкретизируется объект исследований и дается краткая характеристика решаемых задач. Отмечаются новизна и практическая ценность полученных результатов.

В первой главе в разделах с первого по шестой включительно приводится описание замкнутой математической модели течений реагирующих газокапельных смесей, состоящих из многокомпонентного газа и капель некоторого вещества, пары которого участвуют в газофазных химических реакциях.

Полная замкнутая модель состоит из подмоделей. Синтезирующей основой модели являются уравнения переноса и химических превращений компонент, а также уравнения переноса импульса и энергии, записанные для реагирующей

газокапельной смеси в некоторой стандартизированной форме с учетом отличия параметров частиц и газа. Каждая из подмоделей объединяет в себе группу замыкающих соотношений, описывающих те или иные свойства конкретной двухфазной смеси. Всего, таких подмоделей четыре, а именно: термодинамики, химической кинетики, сопротивления и тепломассообмена капель, коэффициентов молекулярного переноса.

Для описания термодинамических свойств многокомпонентного газа и жидкого вещества капель > исйользуется внутренне самосогласованная модель, которая удовлетворяет в достаточно широких диапазонах температур и давлений всем термодинамическим тождествам и неравенствам и привязана к стандартной системе начал отсчета термохимических величин, принятой в большинстве справочников. 1 ' 1

Применяемая модель газофазной химической кинетики ориентирована на использование многостадийных кинетических механизмов, состоящих из обратимых элементарных реакций от первого до третьего порядка включительно.

Для описания сопротивления и тепломассообмена капель используется вариант полуэмпирической модели квазистационарного испарения одиночной капли, обтекаемой многокомпонентным газом в континуальном режиме (Faeth G.M. Progr. Energy Combust. Sei. 1983. V. 9. N 1/2).

Коэффициенты вязкости и теплопроводности многокомпонентного газа, а также коэффициент диффузии в нем паров вещества капель присутствуют в выражениях, входящих в модель сопротивления и тепломассообмена капель. Для вычисления всех указанных коэффициентов переноса применялись упрощенные формулы кинетической теории газов. При этом использовались справочные данные по параметрам потенциалов Леннарда-Джонса или Штокмайера.

Подробное описание разработанной модели течений реагирующих газокапельных смесей опубликовано в работе [2].

В седьмом разделе первой главы обсуждаются основные особенности численного алгоритма, предложенного применительно к расчету одномерных стационарных течений реагирующих газокапельных смесей. Встречающиеся при этом трудности связаны, в основном, с численным интегрированием "жебткой" системы обыкновенных дифференциальных уравнений, описывающих движение и тепломассообмен испаряющиеся капель и неравновесные химические реакции в многокомпонентном газе с участием пара капель. Предложенные в диссертации разностная аппроксимация соответствующих дифференциальных уравнений и алгоритм численного решения возникающей при этом "жесткой" нелинейной системы конечно-разностных уравнений являются обобщением на . случай газокапельных смесей аналогичного метода, предложенного ранее для случая

чисто газовых смесей. Главным преимуществом данного метода является то, что в его рамках гарантируется строгое выполнение как стехнометрических соотношений для всех реакций, так и уравнений материального баланса, что в итоге позволяет корректно рассчитывать все концентрации, в том числе и тех веществ, содержание которых в смеси очень мало.

Во второй главе диссертации приводятся результаты, относящиеся к решению двух практических задач.

В первом разделе второй главы рассмотрена задача, постановка которой возникла как логическое продолжение исследований процесса нейтрализации окиси углерода дозированным впрыском воды в высокотемпературную смесь продуктов сгорания.

Дозированный впрыск воды в высокотемпературную смесь продуктов сгорания - достаточно эффективный прием, приводящий к уменьшению концентраций некоторых продуктов неполного окисления, например, окиси углерода. Ранее, для описания данного процесса в установке дожигания окиси углерода применялась упрощенная модель, использующая допущение о мгновенном испарении впрыскиваемой воды и о последующем, также мгновенном, смешении образовавшегося пара с исходной смесью (Папуша А.И., Пирумов У.Г., Прохоров М.Б. Изв. АН СССР. МЖГ. 1981. N 1). В рамках разработанной математической модели течений реагирующих газокапельных смесей изучено влияние реальной кинетики прогрера и испарения капель на протекание газофазных химических реакций в смеси продуктов сгорания.

Рассматривалась задача о выборе оптимального расхода воды, вводимой в первом поясе впрыска на установке дожигания окиси углерода. Первый пояс впрыска смонтирован на секции, представляющей собой канал переменного сечения длиной 9 м, в который поступают продукты сгорания керосина в кислороде при недостатке кислорода (а = 0.76). На входе в канал продукты сгорания имеют параметры Ти = 3200 К, рк-0АМЛа, ик = 200 м/с. При указанных условиях их состав является равновесным, и в них содержится 42.7 % по массе токсичной окиси углерода, которую необходимо уничтожить. Во входном сечении канала расположены форсунки, через которые в продукты сгорания распыливается жидкая вода. Капли в факеле распыла имеют следующие параметры: Т1п = 298 К, и1н = 50 м / с, с1ы = 20... 500 мкм. Задача оптимизации сводится к выбору оптимального отношения расходов впрыскиваемой воды и продуктов сгорания, при котором расход окиси углерода через выходное сечение канала имеет минимальное значение.

V '' Рис. 1 ' 1 '

На рис. 1 представлены расчетные графики безразмерного расхода окиси углерода тсо на выходе из первой секции установки дожигания в зависимости от безразмерного расхода впрыскиваемой воды ш//]0 (при обезразмеривании указанные расходы отнесены (с расходу продуктов сгорания на входе в секцию). Кривые 1, 2, 3 получены для начальных диаметров капель с!ы =20,200,500 мкм соответственно, с использованием разработанной модели реагирующих газокапельных смесей. Пунктирная кривая соответствует расчетам по модели мгновенного испарения и смешения впрыскиваемой воды.

Поведение различных , кривых на рис. 1 на участке т„]0 < 1.25, где большинство из них практически полностью совпадают, объясняется тем, что при соответствующих дозах впрыска в канале длиной 9 метров успевает установиться полное термодинамическое равновесие. Расслоение кривых в окрестности их точек минимума обусловлено - тем, что на выходе из канала параметры потока отличаются от равновесных либо из-за того, что не успевают испариться капли, либо из-за незавершенности химических реакций.

Из анализа характера смещения точки минимума в зависимости от начальных размеров капель, можно сделать вывод о том, что качество распыла сильно влияет на величину оптимального расхода воды о и, в то же время, слабо влияет на остаточное ' содержание окиси углерода тсо. Полученные результаты позволили найти границы области применимости модели мгновенного испарения и смешения и уточнить рекомендации, касающиеся выбора оптимальных доз впрыскиваемой воды. \

Во втором разделе второй главы рассмотрена задача, связанная с разработкой экспериментальной установки для нанесения покрытий на основе плазменно-кластерного метода. При этом, покрытие должно получаться в вакуумной камере в результате столкновения с поверхностью детали частиц напыляемого металлического порошка, движущихся с большой скоростью.

Ускорение частиц металлического порошка происходит в результате их взаимодействия с несущим газом, истекающим в вакуумную камеру через сопло плазмотрона. При этом, благодаря высокой температуре газа в плазмотроне, частицы могут также плавиться и испаряться.

При разработке экспериментальной установки важно было определить, какие Параметры имеют частицы на выходе из сопла плазмотрона, в зависимости от типа и размера частиц и свойств несущего газа: Для решения этого вопроса использовалась разработанная модель течений ' газокапельных смесей, дополненная моделью плавления-кристаллизации частиц.

В рамках данной постановки была проведена серия расчетов. В качестве несущего газа рассматривались или Аг, в качестве напыляемых материалов -порошки О, Си или /"е. Начальный диаметр частиц варьировался от 20 до 60 мкм. Во всех вариантах предполагалось, что частицы вводятся в поток газа непосредственно перед входным сечением сопла, контур которого изображен на рис. 2.

г , М

Рис. 2

Следующие исходные данные были одинаковы для всех вариантов /;0 = 0. 4 МПа , Т„ = 6000 А', zllt = 0.23, Ты = 298 К где р„ и Т{) - соответственно давление и температура торможения газа на входе в сопло, г,„ - отношение начального массового расхода частиц к суммарному расходу смеси, Ты - начальная температура частиц. ,

В качестве примера на рис. 3 представлены расчетные графики изменения параметров двухфазной смеси по длине сопла. Эти рисунки соответствуют случаю, когда дисперсная фаза представляла собой частицы Сг с начальным диаметром 20 мкм, а несущий газ - азот.

и.1П"' .к/с Г-1(1 '. К Р-кГ1. П»

и 10 "'.м/с

Т," 10"''. к <р.'

г„

2-

/ 1 1

!<р г» и,

0.025 0.050

X , М

0.000

0.025 0.050

X , М

Рис. 3

Здесь и, р, Т - скорость, давление и температура газа, ип 7) - скорость и температура частиц. Величина (р равна отношению массы расплавленного вещества частицы к ее общей массе, а величина гт - отношению текущей массы частицы к ее начальному значению.

П I I I 10 20 30 40., 50 60 70

С1, , МКМ

Рис. 4

На рис. 4 представлен^! данные по скорости и фазовому состоянию частиц Сг, Си и /е на выходе из сопла, плазмотрона, в зависимости от их начального размера. Приводимые на рис. 4 результаты соответствуют случаю, когда в качестве несущего газа рассматривался

Результаты данного раздела были использованы при выборе оптимальных параметров экспериментальной установки для нанесения покрытий. При решении данной задачи была продемонстрирована возможность расширения исходной модели, а именно, рассмотрен случай, при котором капли образуются в результате плавления твердых частиц, а их испарение могло происходить как из жидкой, так и из твердой фаз их вещества.

-11В третьей главе приводятся результаты численного моделирования течений реагирующих газокапельных и газовых смесей в экспериментах по воспламенению метанола.

Метанол был выбран в качестве объекта моделирования по следующим причинам. Во-первых, при его сгорании образуется меньшее количество токсичных продуктов, чем в случае традиционных топлив. Поэтому, многими он рассматривается как перспективное горючее, которое, может быть использовано в ряде двигателей, включая газотурбинные (Adelman H.G. и др. AIAA Journal. 1976. N 6). Во-вторых, метанол достаточно хорошо изучен. В частности, для него самого и для основных промежуточных продуктов, образующихся при его горении, имеется практически Полный набор справочных данных, необходимых для наполнения модели. В-третьих, метанол уникален также тем, что имеется достаточно полный набор экспериментов по его горению, моделирование которых позволяет апробировать как отдельные подмодели, так и всю модель реагирующих газокапельных смесей в комплексе.

В первом разделе третьей главы приводится обзор экспериментальных и теоретических работ по воспламенению газокапельных топливных смесей.

Во втором разделе третьей главы приводятся результаты численного моделирования экспериментов, в которых исследовалось воспламенение разбавленных аргоном горючих смесей паров метанола с кислородом за отраженными ударными волнами.

В качестве конкретного наполнения принятой модели газофазной химической кинетики в данном разделе использовались детальные кинетические механизмы газофазного окисления метанола в кислороде или в воздухе, предложенные в работах Вестбрука и Драера (Westbroök С.К., Dryer F.L. Comb. Sei. and Tech. 1979. V. 20), а также Тсубои и Хйшимото (Tsuboi Т., Hashimoto К. Comb, and Flame. 1981. V. 42). Максимальный список продуктов, участвующих в указанных механизмах, включает 26 компонент. Максимальное число элементарных стадий 84. Константы скорости ряда ключевых реакций в используемых механизмах были подобраны их авторами путем численного моделирования экспериментов, в которых исследовалось воспламенение разбавленных аргоном горючих смесей паров метанола с кислородом за отраженными ударными волнами.

Модель химической кинетики, которая используется в диссертации, несколько отличается öt тех, которые применялись авторами кинетических механизмов. Для того, чтобы убедиться в том, что эти отличия не повлияли на способность используемой подмодели правильно воспроизводить результаты экспериментов, на основе которых разрабатывались механизмы, некоторые

расчеты, описанные в отмеченных работах, были просто повторены. При этом, также как и в работах вышеуказанны^, авторов, собственно'течение реагирующего газа за отраженными ударными волнами не рассчитывалось. Вместо этого при моделировании воспламенения за отраженной ударной волной предполагалось, что процесс является адиабатическим и протекает при постоянном объеме.

t , мкс

loo 200l— Joo адо t , , МКС

Рис. 5

На рис. 5, 6 представлены результаты численного моделирования одного из экспериментов Боумена (Bowman С.Т. Comb, and Flame. 1975. V. 25), результаты которых использовались при разработке кинетического механизма Вестбрука и Драера. В этих экспериментах воспламенение газовых смесей исследовалось с помощью оптических методов. В частности, регистрировалась зависимость от времени коэффициентов поглощение, и испускания излучения в определенных узких диапазонах длин волн. Момент воспламенения определялся, по точке максимума на полученной осциллограмме мощности излучения на волне Я = 370 им , которое является неравновесным, а именно - химлюминесцентным и связанным непосредственно с протеканием следующей реакции

СО + О -> С02 + Пм

На графиках рис. 5 показано изменение , со временем температуры и концентраций тех веществ, которые предположительно дают наибольший вклад в регистрируемое излучение. Штриховой линией показана временная зависимость произведения концентраций СО и О. Его максимальное значение ранее использовалось в качестве Критерия воспламенения 1 при моделировании экспериментов Боумена. ■

о

Рис. 6

На рис. 6 представлено сравнение экспериментальных данных по времени задержки воспламенения, обработанных с помощью регрессионного анализа -непрерывная кривая, и результатов численного моделирования с использованием кинетического механизма, предложенного Вестбруком и Драером. Разными маркерами помечены точки, соответствующие различным начальным данным: давлению и температуре за отраженной ударной волной, соотношению окислителя и горючего, содержанию инертной добавки. По оси ординат отложена величина

где (тю- время задержки воспламенения в секундах, а в квадратных скобках -концентрации кислорода и метанола в исходной смеси, выраженные в моль / ж3.

В результате получено совпадение не/хуже, чем в работе Вестбрука и Драера.

Аналогичным образом был апробирован и второй кинетический механизм. Выполнено также сравнение этих двух механизмов между собой. Показано, что для уменьшения некоторого расхождения между ними можно воспользоваться обобщенными данными по константам скорости некоторых ключевых элементарных реакций (Варнац Ю. в кн. Химия горения/под ред. У. Гардинера. 1988).

С целью дополнительной проверки корректности допущения о постоянстве объема, использованного при моделировании экспериментов за отраженными ударными волнами, часть расчетов была выполнена в более строгой постановке. При этом, течение реагирующей газовой смеси за отраженной ударной волной рассчитывалось численно, с помощью одномерных нестационарных уравнений газовой динамики. Показано, что в случае сильно разбавленных горючих смесей,

которые в большинстве случаев. использовались авторами моделируемых экспериментов, данное допущение является оправданным.

В третьем разделе третьей главы приводятся результаты проверки модели тепломассообмена испаряющейся капли. Указанная проверка осуществлялась путем численного моделирования постановки двух лабораторных экспериментов. В них исследовалось испарение одиночных капель метанола, подвешенных на кварцевых нитях в потоках либо горячего воздуха (Nishiwaki N. Fifth Symp. (Int.) on Combustion. 1955), либо продуктов сгорания газообразных топлив (Faeth G.M., Lazar R.S. AIAA Journal. 1971. N 11). В обоих случаях, с помощью ускоренной кино-фотосъемки, определялась зависимость диаметра капель от времени.

о.в » 0.6 V о.* 0.2 0.0

1600

Рис. 7

2000 Т , К Рис. 8

2200

Результаты численного моделирования эксперимента Нишиваки приведены на рис. 7. Скорость обтекания капли составляла 0.78 м/с, температура воздуха -540 К. Начальная температура капли была равна 293 К. Сплошными линиями на рис. 7 изображены рассчитанные при двух значениях подгоночного параметра [3 (см. [2]) графики зависимости диаметра капли в степени 1.5 от времени, а пунктиром - данные эксперимента.

Результаты численного моделирования экспериментов Фета и Лазара приведены на рис. 8. Маркерами на нем нанесены экспериментальные точки по зависимости стационарной скорости испарения капель от, температуры окружающего газа, а сплошной , и штриховой линиями - аналогичные зависимости, рассчитанные соотретственно авторами экспериментов и в данной работе. Все указанные результаты получены для капель диаметром 1100 мкм при скорости их обтекания 0.467 м/с и /? = 0.95.

В результате проведенных1 исследований была осуществлена проверка используемой модели тепломассообмена капли и обоснован выбор подходящего значения параметра /?. При этом отмечается необходимость создания более совершенных моделей испарения капли, в которых вообще отсутствуют какие-либо подгоночные параметры.

В четвертом разделе третьей главы представлены результаты комплексной проверка всех подмоделей, входящих в замкнутую модель горения газокапельных топливных смесей. Такая проверка осуществлялась путем численного моделирования экспериментов Маллинза (Mallinz В.P. Fuel. 1953). В них исследовалось воспламенение двухфазной смеси распыленного метанола с подогретым воздухом. Указанные эксперименты были выбраны в качестве эталона для моделирования именно потому, что они очень тщательно поставлены. В них, в частности, измерялись практически все параметры газа и капель, которые влияют на воспламенение и которые необходимо использовать в качестве исходных данных для численного моделирования.

В экспериментах Маллинза использовалась' установка проточного типа, которая работала в установившемся режиме. Измерительный участок этой установки схематично изображен на рис. 9. Положение фронта воспламенения определялось путем непосредственного визуального наблюдения через ряд смотровых окон. Момент воспламенения отождествлялся с появлением видимого фронта пламени. Недостатком метода являлось то, что никакие другие количественные характеристики этого видимого фронта не измерялись. По этой причине возможно только косвенное сравнение расчетов с экспериментом.

Подогрев воздуха в экспериментах осуществлялся путем предварительного сжигания в нем керосина, расход которого строго контролировался. При моделировании экспериментов, в полйом 1 соответствии с указанной особенностью их постановки, предполагалось, что химический состав газовой смеси, поступавшей на вход измерительного участка, являлся равновесным. Он рассчитывался в рамках принятой модели термодинамики по известным расходам воздуха и керосина и значениям давления и температуры, которые измерялись в экспериментах. После этого, начиная от сечения, в котором впрыскивался распыленный метанол, рассчитывалось течение реагирующей газокапельной смеси в рамках полной замкнутой модели. При этом течение полагалось стационарным и квазиодномерным. ,

В качестве характерного примера на рис. 10 приведены рассчитанные графики изменения параметров газокапельной смеси по длине измерительного участка. Эти графики соответствуют случаю, когда температура газовой смеси на входе в измерительный участок равнялась ■ 1273 К, а начальное давление - 0.1 МП а. При этом расход воздуха составлял 0.409 кг/с, расход метанола - 3.78 г/с, а начальный диаметр капель равнялся 80 мкм.

На рис. 11 для сравнения приведены измеренная и рассчитанная координаты фронта пламени в зависимости от начальной температуры газового

Рис. 11

потока. При' этом, в расчетах момент воспламенения определялся, как точка минимума на графике зависимости температуры от времени (См. рис. 10а).

В целом, представленные в третьей главе результаты численного моделирования экспериментов по воспламенению метанола показали, что в рамках полной модели и отдельных ее подмоделей достигнуто достаточно хорошее совпадение результатов расчетов с экспериментальными данными, полученными в существенно различных условиях. Тем самым, по существу, показано, что, в случае наличия требуемого конкретного наполнения, разработанная замкнутая модель вместе со своими подмоделями позволяет количественно правильно воспроизводить наиболее важные характерные особенности процессов горения как газокапельных, так и чисто газовых смесей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе получены следующие основные результаты:

1. Разработан вариант замкнутой математической модели течений реагирующих газокапельных смесей. Разработка модели проводилась с учетом возможности использования стандартных и специальных данных, приводимых в справочниках, монографиях и оригинальных работах. Достигаемая в связи с этим формализация процедуры задания полного набора данных, необходимых для конкретного наполнения модели, позволяет рассматривать ее как "универсальную" и исключает необходимость дополнительной подгонки.

2. Разработан и реализован алгоритм расчета одномерных стационарных течений реагирующих газокапельных смесей. В его рамках гарантируется строгое выполнение как стехиометрических соотношений для всех реакций, так и уравнений материального баланса, что в итоге позволяет корректно рассчитывать все концентрации, в том числе и тех веществ, содержание которых в смеси очень мало.

3. С помощью разработанной модели изучено влияние реальной кинетики прогрева и испарения капель воды на протекание газофазных химических реакций в смеси продуктов сгорания углеводородного топлива. Найдены границы области применимости допущения о мгновенном испарении капель и о последующем, также мгновенном, смешении образовавшегося пара с исходной смесью. Уточнены рекомендации, касающиеся выбора оптимальных доз впрыскиваемой воды на установке по нейтрализации окиси углерода.

4. Проведено численное параметрическое исследование процессов плавления и испарения металлических частиц, ускоряющихся под действием несущего газа в сопле плазменной установки для нанесения покрытий. При

решении данной задачи была продемонстрирована возможность расширения исходной модели, а именно, рассмотрен случай, при котором капли образуются в результате плавления твердых частиц, а их испарение могло происходить как из жидкой, так и из твердой фаз их вещества.

5. Предложена методика численного, эксперимента, в рамках которой одновременно с наполнением унифицированной модели конкретными данными осуществляется их проверка. На примере численного моделирования экспериментов по воспламенению метанола показано, что использование данной методики обеспечивает достоверность результатов численного моделирования как в случае газокапельных, так и чисто газовых топливных смесей. Тем самым показана возможность использования разработанного варианта модели для исследований особенностей процессов воспламенения и горения в случае умеренно плотных топливных смесей.

Публикации по теме диссертации:

1. Волков В.А., Гидаспов В.Ю., Стрельцов В.Ю. Комплекс программ для численного исследования воспламенения газовзвесей в замкнутом объеме/Программное обеспечение, математического моделирования, управления и искусственного интеллекта: Тезисы IX школы ППП-91. Иркутск, 1991. С. 131132.

2. Волков В.А., Мусин В.Р., Пирумов У.Г., Прохоров М.Б., Стрельцов В.Ю. Численное моделирование процесса нейтрализации окиси углерода дозированным впрыском воды в высокотемпературную смесь продуктов сгорания//Изв. РАН. МЖГ. 1993, N6. С. 96-106.

3. Волков B.À., Стрельцов В.Ю. Численное моделирование процесса самовоспламенения газокапельных смесей/Труды XIX Научных чтений по космонавтике. Теория и конструкция двигателей летательных аппаратов. М., 1995. С. 13.

4. Volkov V.A., Gidaspov V.Yti., Strel'tsov V.Yu. Numerical simulation of autoignition of liquid methanol injected into a hot gas stream/lst International Conference on nonequilibrium processes in nozzles and jets. Collected abstracts. Moscow, 1995. P. 160-162.

5. Волков B.A., Гидаспов В.Ю., Стрельцов В.Ю. Численное моделирование процесса самовоспламенения горючих смесей за отраженными ударными волнами/ХХ Научные чтения по космонавтике. Тезисы докладов. М., 1996. С. 63-64.