DisCollection.ru

Авторефераты и темы диссертаций

Поступления 12.02.2007

Материалы

загрузка...

Теплофизические и гидрогазодинамические эффекты при горении газов и ракетных топлив

Сабденов Каныш Оракбаевич, 12.02.2007

 

Также при применении ряда технологий в химической промышленности и энергетике (например, ТЭЦ) предусматривается разделение сепараторами газов (в частности воздуха) от взвешенных в них мелкодисперсных частиц в твердой или жидкой фазе. Одним из широко распространенных сепараторов является пенный и центробежно-барботажный аппараты (А.П. Бурдуков А.П., А.Р. Дорохов, 1985). Несмотря на наличие ряда эмпирических соотношений (В.Н. Ужов, А.Ю. Вальдберг и др., 1981), позволяющих в ограниченных условиях проектировать такие устройства, последовательный теоретический анализ действующих физических процессов в настоящее время отсутствует, что затрудняет создавать более совершенные очищающие установки. М.А. Гольдштик (1973) высказал гипотезу, согласно которой осаждение частиц происходит по «механизму удара». Для проверки правильности этой концепции необходимо математическое исследование физики движения частиц в быстро растущем пузыре газопылевой среды.

Подводя итог вышесказанному, следует подчеркнуть необходимость в создании такой формы теории фронтов горения, которая основывалась бы в более полной мере на методах и принципах термодинамики слабо неравновесных процессов; более глубоком раскрытии механизмов, приводящих к существованию одномерных и многомерных волн горения. Необходимо также определить основные факторы, влияющие на распространение примеси в устойчиво стратифицированной атмосфере; приводящие к осаждению их в пенном и центробежно-барботажном аппаратах.

Цель работы:

Развитие существующих и разработка новых теоретических концепции, позволяющих изучать процессы нестационарного горения газовых смесей, твердых ракетных топлив и других высокоэнергетических материалов, а также для решения проблем охраны окружающей среды.

Задачи исследования:

– расширение знания о структуре пламени, его поведения под действием диффузионно-тепловых и гидродинамических возмущений;

– построение моделей турбулентного горения горючих газовых смесей на основе теории множеств дробной размерности и исследование на основе них явления перехода медленного горения в детонацию в трубах;

– поиск условий устойчивого горения порохов и взрывчатых веществ при переменном и постоянном давлении на основе известных моделей;

– разработка новых вариантов теории нестационарного горения высокоэнергетических материалов на основе феноменологического подхода;

– разработка модели пылеулавливания в барботажных установках и поиск формул для расчета их эффективности;

– построение моделей интрузии облака большого размера и переноса примеси загрязняющих частиц в устойчиво стратифицированной атмосфере.

Объектом исследования являются процессы в технологических циклах энергетических установок, влияющие на эффективность и безопасность использования технологии. В частности, ламинарное и турбулентное горение газовых смесей, нестационарное горение твердых ракетных топлив и взрывчатых веществ, перенос в атмосфере вредных веществ и очистка газов от примесей.

Предметом исследования являются: неравновесная термодинамика ламинарного горения; структура пламени, его диффузионно-тепловая и гидродинамическая устойчивость; переход медленного горения в детонацию в трубах постоянного сечения; процессы нестационарного горения твердых ракетных топлив и взрывчатых веществ при постоянном и переменном давлении; эволюция турбулентного облака загрязняющих веществ в устойчиво стратифицированной атмосфере и выпадение примеси на поверхность земли; отделение мелкодисперсных частиц от газа барботажом.

Научная новизна работы заключается в следующем:

получена новая формула связи между скоростью распространения пламени и производством энтропии в его фронте;

разработана новая методика аналитического решения уравнений Зельдовича–Франк-Каменецкого медленного горения и получено уравнение температурно-диффузионного пограничного слоя в ламинарном пламени, а также его аналитические решения для случаев нулевого порядка реакции, чисел Льюиса Le = 0 и Le >> 1;

установлена связь между явлениями медленного горения в ламинарном пламени и теплового взрыва в цилиндрическом сосуде;

впервые высказано предположение о нарушении синхронной деформации полей концентрации и температуры при искривлении фронта пламени и на основе него предложена новая теория диффузионно-тепловой устойчивости горения, а также предложен новый способ нахождения скорости движения искривленного пламени;

предложен новый аксиоматический подход при описании горения газов на основе понятий «поверхность горения» и «нормальная скорость пламени», и в рамках этого подхода впервые разработана теория турбулентного пламени

впервые смоделирован переход медленного горения в детонацию смесей водорода с кислородом, находящихся в различных стехиометрических соотношениях, метана с кислородом и др.;

разработана оригинальная теория ускоряющегося турбулентного пламени при сверхзвуковых скоростях движения;

впервые установлено, что нестационарное горение порохов, ракетных топлив может быть представлено динамической нелинейной колебательной системой с двумя степенями свободы, в частности генераторами Ван-дер-Поля, Ван-дер-Поля–Дуффинга и системой Матье;

разработана новая теория нестационарного горения порохов и высокоэнергетических материалов на основе понятия «эффективной начальной температуры» в рамках феноменологического подхода (T0*-теория);

впервые показана возможность устойчивого горения твердых взрывчатых веществ и ракетных топлив при отрицательных значениях феноменологических коэффициентов Зельдовича-Новожилова;

впервые разработаны основы теории переноса примесей в устойчиво стратифицированной атмосфере и барботажа двухфазных сред.

Достоверность научных положений и выводов обеспечена корректной математической постановкой задач, применением известных апробированных асимптотических методов, подтверждена численными экспериментами по анализу точности и сходимости численных схем, отсутствием противоречий между аналитическими и численными решениями, а также согласием полученных результатов с данными других авторов.

Работа выполнена в соответствии с «Приоритетными направлениями развития науки и техники» федерального уровня от 21.07.96 г и содержат научно-исследовательские работы, выполненные в рамках следующих грантов, государственных и хоздоговорных научно-исследовательских программ и

Научно-исследовательские проекты под шифрами «Водолей», «Неман», «Марс». Заказчик – НПО «Алтай», 1989 – 1993 гг. г. Бийск.

Тема Госкомвузов «Разработка научных основ по исследованию влияния ракетно-космической техники и технологических комплексов на окружающую среду», 1999 г. НИИ ПММ, г. Томск.

Договор на тему «Разработать принципы создания способов и средств пожаро- и взрывозащиты газоотсасывающей установки». Заказчик – Вост. НИИ, 1994 г. г. Кемерово.

Договор на тему «Исследование газодинамики и кинетических условий воспламенения и горения метана в выработанном пространстве и условий перемещения горящего метана в действующие выработки». Заказчик – Рос. НИИ ГД, г. Кемерово. 1996 г.

Договор на тему «Исследование процесса воспламенения метано-воздушной смеси и процесса распространения ударных волн по горным выработкам». Заказчик – Рос. НИИ ГД, г. Кемерово. 1998 г.

Грант РФФИ за 1994-1995 гг, № 94-03-08220.

Грант Минвузов за 1991 г. Конкурсный центр г. Санкт-Петербург.

Грант Минвузов за 1998 г. Конкурсный центр г. Томск.

Грант РФФИ за 1998-1999 г, № 98-01-03009.

Практическое ценность

Результаты по исследованию структуры и устойчивости ламинарного пламени в более полном виде раскрывают причины и механизмы существования волн горения. Они могут применяться при оценке пожарной опасности горючих газов и очагов горения в промышленных и бытовых условиях, а также при чтении курсов лекций в вузах по соответствующей специальности.

С теоретической точки зрения, разработанная модель турбулентного горения важна как пример привлечения нового математического аппарата к моделированию природных физических процессов. Практическая значимость модели турбулентного горения заключается в возможности моделировать быстрое горение взрывоопасных газовых смесей в замкнутых или полузамкнутых пространствах, вплоть до возникновения детонационного режима включительно при различных внешних условиях – наличии потерь тепла из зоны горения, преград, шероховатостей на границе контакта газа с твердыми поверхностями и т.д. Для этого из физико-химических свойств горючего газа необходимо знать предельно минимальное количество: нормальную скорость распространения ламинарного пламени, полный тепловой эффект химической реакции, показатель адиабаты и начальную плотность. В отличие от других известных моделей, перечисленные параметры экспериментально легко определяются, что делает полученные результаты теории более удобными для практического применения.

Полученные уравнения газовой динамики горения могут применяться для расчета взрывных процессов с целью предсказания их последствий для проведения плановых предупредительных работ или принятия обоснованных решений при проведении аварийно-спасательных работ.