авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 |

Горение газа вблизи пределов

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Замащиков Валерий Владимирович

Горение газа вблизи пределов

Специальность: 01.04.17-

химическая физика, горение и взрыв,

физика экстремального состояния вещества

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора

физико-математических наук

Новосибирск – 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте химической кинетики и горения Сибирского отделения Российской академии наук

Научный консультант доктор физико-математических наук. Бабкин Вячеслав Степанович

Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук Шмелев Владимир Михайлович, заведующий лабораторией Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института химической физики им. Н. Н. Семенова РАН

Доктор физико-математических наук Васильев Анатолий Александрович, директор Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института гидродинамики им. М. А. Лаврентьева СО РАН

Доктор физико-математических наук, доктор философских наук Шарыпов Олег Владимирович, заместитель директора, заведующий лабораторией Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук.

Защита состоится “21” ноября 2012 года в 15.00 на заседании диссертационного совета Д 003.014.01, на базе ИХКГ СО РАН, по адресу г. Новосибирск, ул. Институтская, д. 3

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИХКГ СО РАН

Автореферат разослан “_______” ___________ 2012 года

Ученый секретарь

диссертационного совета, д.х.н. Онищук А. А.

Общая характеристика работы

Актуальность работы. В связи с потребностью в миниатюрных и энергоемких источниках питания, миниатюрных горелках и микродвигателях в последнее время активно исследуются процессы горения в микро реакторах. Известно, однако, что существует критический (тушащий) размер канала. Пламя не может проникнуть в каналы размером меньше критического вследствие теплопотерь из фронта пламени в стенки канала. Критический размер канала зависит от типа горючего, его содержания в смеси и имеет большое практическое значение. При проектировании химических реакторов и других устройств необходимо учитывать эти размеры для того, чтобы обеспечить взрывобезопасность устройств. С другой стороны, при создании миниатюрных ректоров желательно, наоборот, организовать горение в реакторах, размер которых меньше критического. В связи с этим исследования газового горения в узких каналах, то есть вблизи пределов, являются очень актуальными.

Отметим еще причины, по которым изучение околопредельных пламен являются актуальными. Во-первых, актуальность вызвана необходимостью решения принципиальных вопросов пожаровзрывобезопасности для разработки научных основ и создания стандартов в области охраны труда, в частности, стандартов по определению показателей пожаровзрывоопасности веществ, материалов, технологических процессов, гражданских зданий и промышленных сооружений. Во-вторых, она вызвана необходимостью обоснованного прогноза пожаровзрывопасности в новых областях человеческой деятельности: освоении космоса; строительстве высотных зданий и сооружений; использовании экстремальных состояний веществ; в операциях с веществами, обладающими уникальными свойствами. В–третьих, интерес к изучению околопредельных пламен обусловлен их чувствительностью к избирательной диффузии, к искривлению и растяжению, к акустическим возмущениям и другим явлениям.



При уменьшении размера канала отношение площади внутренней поверхности к его объёму растет. С одной стороны, это приводит к эффективному охлаждению продуктов сгорания, находящихся в канале, с другой стороны, свежая горючая смесь эффективно прогревается, если стенки канала имеют более высокую температуру. В теоретическом обосновании концепции критического диаметра Я.Б.Зельдович предполагал, что температура стенки постоянна и волна горения распространяется по первоначально покоящемуся горючему газу. При достаточно быстром перемещении пламени по каналу это предположение справедливо. Поток тепла из фронта пламени в стенку канала приводит к уменьшению скорости горения, а если размер канала меньше критического, то и к гашению. Однако при уменьшении скорости пламени относительно стенки канала ситуация может измениться, если продукты горения прогреют стенки канала и свежая смесь, входящая во фронт пламени будет нагреваться от горячей стенки. Это открывает практическую возможность осуществления горения в каналах размером меньше критического.

Цель данной работы. Целью настоящей работы является установление закономерностей и создание моделей околопредельных и предельных явлений, наблюдаемых при распространении газовых пламён. Для достижения данной цели автором проведены детальные исследования:

  1. влияния конвективного теплообмена на пределы распространения пламени;
  2. динамики, структуры и пределов существования пламен, распространяющихся в потоке горючей смеси в трубах с внутренним диаметром больше, но порядка критического;
  3. переходов из обычного режима (без прогрева стенки) в новый режим с прогревом стенки и обратно;
  4. режима и скоростных характеристик пламени, распространяющегося над горючей жидкостью в трубках с внутренним диаметром больше, но порядка критического;
  5. нового режима с прогревом стенки в трубках с внутренним диаметром меньше критического;
  6. режимов горения и условий стабилизации пламени в расходящемся газовом потоке внутри зазора, ширина которого как больше, так и меньше критического.

Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов. В работе использовались экспериментальные и теоретические методы исследования. Полученные экспериментальные результаты были проанализированы и обобщены с использованием современных теоретических представлений теплофизики, гидродинамики и химической кинетики. Достоверность полученных экспериментальных результатов обеспечена комплексным и систематическим характером выполненного исследования, их сопоставлением с результатами, полученными другими исследователями, согласием с общими физическими представлениями о процессах, а также оценкой баланса массы и энергии, когда это возможно. Обоснованность аналитических моделей подтверждается сравнением с современными наиболее достоверными результатами других исследователей, а также хорошим согласием результатов, полученных с использованием этих моделей с экспериментальными результатами данной диссертации. Достоверность результатов численного решения дифференциальных уравнений обусловлена применением хорошо зарекомендовавших себя современных методов.

Научная новизна работы определяется следующими результатами, полученными впервые на момент их публикации:

  1. Обнаружено, что в трубах с внутренним диаметром больше, но порядка критического при наличии потока горючей смеси существуют два стационарных режима горения: при низких скоростях потока – обычного режима и при высоких скоростях – неизвестного ранее режима c прогревом стенки. Установлены область существования пламени, колебательные явления и другие особенности этих режимов. Для режима с прогревом стенки наблюдается нижний и верхний пределы по расходу горючего газа. На нижнем пределе имеет место плавный переход из этого режима в обычный режим и обратно. На верхнем пределе - скачкообразный переход из режима с прогревом стенки в обычный режим. Показана возможность распространения пламени в более широких концентрационных пределах в каналах в режиме с прогревом стенки, чем в каналах большего диаметра, но в обычном режиме.
  2. Получены скоростные и структурные характеристики, а также установлено влияние размеров трубки, материала стенки трубки, состава смеси, типа горючего и давления на скорость пламени в режим с прогревом стенки в трубках с внутренним диаметром меньше критического. Создана модель процесса.
  3. Получены пламена, стабилизированные в расходящемся газовом потоке в щели, размер которой существенно меньше критического, и обнаружены аномально высокие скорости сгорания. Создана двухмерная модель данного процесса.
  4. Обнаружены и изучены вращающиеся и спиновые пламена. Установлены условия их существования, скоростные характеристики, природа и особенности этих явлений. Показано, что если вращающиеся пламена локализуются на краю горелки (за пределами щели), то спиновые пламена локализуются внутри щелевого пространства горелки. Первые обусловлены недостаточным поступлением смеси к зоне пламени, вторые – взаимодействием стенки с зоной горения. Обнаружено существование многоголовой структуры вращающихся пламен.
  5. На основе развитых представлений о роли гравитационной конвекции в гашении газового пламени аналитически решена задача о критическом условии в области совместного влияния кондуктивного и свободно-конвективного теплообмена. Экспериментально показана независимость предела распространения пламени от диаметра трубы в области параметров, предсказанных теорией.
  6. Установлено, что средняя скорость пламени, распространяющегося над горючей жидкостью в трубках с внутренним диаметром больше, но порядка критического, уменьшается с увеличением скорости набегающего на него воздуха. Обнаружена зависимость скорости пламени от частоты и амплитуды модуляции скорости набегающего на него воздуха.

Практическая и научная ценность работы.

Практическая ценность.

  1. Возможность проникновения пламени в каналы, размер которых меньше критического, необходимо учитывать при создании огнепреградителей и оборудования во взрывозащищенном исполнении, а также других устройств, где используется неспособность пламени проникать в узкие каналы.
  2. Экспериментально получено, что возможна стабилизация пламени в щелях, размер которых существенно меньше критического. Этот результат имеет практическое значение с точки зрения создания миниатюрных источников питания, горелок, двигателей и т. д.

Научная ценность.

  1. Изучен новый режим распространения пламени – режим с прогревом стенки - в каналах, размер которых близок к критическому.
  2. Исследован переход между режимом с прогревом стенки и обычным режимом.
  3. При стабилизации пламени в щелях, размер которых существенно меньше критического обнаружены скорости горения много большие нормальной.
  4. Предложено горелочное устройство, представляющее собой два параллельных диска, в пространство между которыми подаётся горючая смесь. В этой горелке возможны разнообразные режимы горения, среди которых и спиновое горение.
  5. Исследовано влияние скорости встречного потока окислителя и частоты ее модуляции на среднюю скорость распространения пламени в узком канале над поверхностью жидкости.

На защиту выносятся

  1. Результаты экспериментального и теоретического исследования влияния конвективного теплообмена на пределы распространения пламени.
  2. Результаты экспериментального и теоретического исследования газового горения в узких трубках, размер которых как больше, так и меньше критического.
  3. Результаты экспериментального и теоретического исследования газового горения в условиях расходящегося газового потока в щелях, размер которых существенно меньше критического.
  4. Результаты экспериментального исследования неустойчивого горения в щелях, размер которых близок к критическому.
  5. Результаты экспериментального исследования влияния скорости встречного потока, частоты и амплитуды её модуляции на среднюю скорость распространения пламени в узком канале над жидкостью.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на следующих научных форумах:





1. Всероссийский Семинар: Динамика Многофазных Сред. Новосибирск. 2000.

2. IV international school-seminar. Minsk. Belarus. 2-7 September. 2001.

3. Международная конференция. Сопряженные задачи механики реагирующих сред, информатика и экология. Томск. 2007

4. International Conference on Methods of Aerophysical Research. ICMAR-2008. Novosibirsk.

5. 7th International seminar on flame structure. Novosibirsk. July 11-19. 2011.

6. Сессия Научного совета РАН по горению и взрыву. “Современное состояние вопроса о пределах распространения пламени в газах”. 11 апреля 2012 г. ИХФ РАН. Москва. Устный доклад.

Личный вклад соискателя. Результаты, представленные в диссертации, получены лично Замащиковым В. В., либо под его руководством. Автор диссертации внес определяющий вклад в постановку задач, проведение экспериментов, обсуждение результатов, формулировку выводов и подготовку публикаций по теме диссертационной работы.

Публикации. Полное количество публикации 51. Результаты настоящей работы изложены в 24-х публикациях, из них 21 статья опубликована в рецензируемых международных и российских журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения и шести глав.

Содержание работы.

Во введении дается определение понятию предела, и формулируется цель работы.

Первая глава посвящена пределам распространения пламени в трубах. В связи с важностью тепловой теории Зельдовича [1] для понимания процесса распространения пламени в узких каналах, в первой главе приводится эта теория. Кроме того, дается краткий обзор работ, посвященных зависимости концентрационных пределов распространения пламени от направления распространения пламени относительно вектора силы тяжести. Тепловая теория учитывает только кондуктивные теплопотери в стенку трубы, а они не зависят от направления распространения пламени. Однако опыты показали, что концентрационные пределы распространения пламени зависят от направления распространения пламени. Более того, эксперименты, проведенные в невесомости, показали, что гравитация оказывает существенное влияние на многие процессы, происходящие при горении [2]. При распространении пламени в трубе сверху вниз вследствие охлаждения продуктов горения температура продуктов уменьшается при удалении от фронта пламени. Создается условие для возникновения свободно конвективного движения. Возникновение свободно-конвективного теплообмена при определенных условиях может привести к гашению пламени.

В настоящей работе изучалось влияние диаметра трубы на пределы распространения пламени. Эксперименты проводились в вертикальных трубах с метано-воздушными смесями. Использовался набор стеклянных труб, диаметр которых изменялся от 0.45 до 16.7 см. Длина труб диаметром 0.45-2.2 см составляла 1 м, диаметром 3.7-16.7 см – 3 м. Опыты проводились по трем схемам: 1 – верхний конец трубы открыт, нижний закрыт фланцем, зажигание смеси постоянно действующим дежурным факелом, 2 - верхний конец открыт, нижний закрыт, зажигание дежурным факелом, гаснувшим в момент остановки потока смеси, 3- верхний конец закрыт, нижний открыт, зажигание искрой на оси трубы на расстоянии 3 см от верхнего фланца. В качестве критерия предела принималось распространение пламени на всю длину трубы. По полученной предельной концентрации метана в смеси рассчитывалась адиабатическая нормальная скорость пламени на пределе его распространения. Определялся только бедный

 концентрационный предел. На рис. 1-1

концентрационный предел. На рис. 1 приведены все полученные результаты измерений пределов. Видно, что наблюдаются две характерные области. Для трубок диаметром d=0.45-2 см, когда основной вид теплообмена – кондуктивный, имеет место сильная зависимость предельной нормальной скорости от диаметра трубы: . Полученные результаты удовлетворительно согласуются с данными, приведенными в работах [3-5]. Для трубок диаметром d=2-16.7 см предел не зависит от диаметра. Это можно связать с тем, что в этом случае возникает свободно конвективный теплообмен и именно он приводит к гашению пламени. Элементарная модель гашения свободно распространяющегося пламени построена Ловачевым [6]. В настоящей работе, основываясь на работе [7], получены предельные условия для распространения пламени сверху вниз при наличии свободно-конвективного теплообмена. В теоретической модели рассматривается движение фронта пламени по газовой горючей смеси в вертикальной цилиндрической трубе по направлению вектора силы тяжести. Также как в тепловой теории Зельдовича считается, что скорость пламени и давление постоянны, температура стенок трубы неизменна и равна температуре исходной смеси. Фронт пламени плоский. Скорость и температура газа зависят только от координаты, направленной вдоль оси трубы. Сравнение теоретических результатов с экспериментальными показало хорошее согласие.

Согласие теории с экспериментом указывает на то, что гашение пламени в широких трубах происходит благодаря свободно конвективному теплообмену. Конвективный теплообмен можно усилить, создавая искусственные перегрузки. Для этого в настоящей работе горючую смесь, находящуюся в цилиндрическом сосуде диаметром 22.3 см и высотой 2.5 см, раскручивали вокруг оси с угловой скоростью . Смесь поджигалась в центре электрической искрой. Распространение пламени регистрировалось через стеклянное основание цилиндра методом непрерывной развертки. Использовались смеси метана с воздухом при начальном давлении 0.1, 0.15 и 0.2 МПа. Опыты показали, что при пламя распространяется осесимметрично по всему объему сосуда. Выгорание смеси полное. На заключительной стадии в продуктах сгорания наблюдается вторичное свечение, обусловленное сжатием продуктов горения - Махе-эффектом.

При пламя распространялось до некоторого критического радиуса и гасло. Выгорание смеси частичное. Махе-эффект отсутствует. Эксперименты показали, что с увеличением нормальной скорости ускорение, при котором происходит гашение, растет. Это согласуется с гипотезой о возможности гашения пламени благодаря конвективному теплообмену в продуктах горения.



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.