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 |

Расчетно-теоретическое исследование механизмов инициирования детонации в газовых смесях при воздействии неравновесной плазмы электрического разряда

-- [ Страница 1 ] --

на правах рукописи

УДК 536.46

ЗАЕВ ИВАН АЛЕКСАНДРОВИЧ

Расчетно-теоретическое исследование механизмов инициирования детонации

в газовых смесях при воздействии неравновесной плазмы

электрического разряда

01.04.08 – физика плазмы

автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Москва 2008

Работа выполнена в Институте Водородной Энергетики и Плазменных Технологий РНЦ «Курчатовский Институт»

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук

Кириллов Игорь Александрович

Консультант по плазмохимии:

кандидат физико-математических наук

Потапкин Борис Васильевич

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук

Смирнов Николай Николаевич,

доктор физико-математических наук

Напартович Анатолий Петрович

Ведущая организация:

Объединенный институт высоких температур РАН

Защита состоится 28 октября 2008 г. в час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 520.009.02 при РНЦ "Курчатовский институт" (123182, Москва, пл. Курчатова, д. 1, РНЦ «Курчатовский институт»).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РНЦ «Курчатовский институт».

Автореферат разослан «____» _________________ 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат физико-математических наук А.В. Демура

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Истощение и рост стоимости традиционных углеводородных топлив с одной стороны и ужесточение норм экологической безопасности с другой требуют разработки новых типов энергетических установок на традиционных топливах с высокой термодинамической эффективностью их работы, а также развитие альтернативных традиционным видов энергетики, в частности водородной. Активно развиваемыми направлениями исследований для решения этих задач являются разработка энергосиловых установок, в основе которых лежит детонационное сжигание топлива – пульсирующих детонационных устройств (ПДУ), и формирование базиса для развития водородной энергетики.

Как при разработке ПДУ, так и для обеспечения безопасного развития водородной энергетики важной является проблема инициирования детонации. С одной стороны, стадия формирования детонационной волны в прототипах ПДУ, работающих на широко распространенных углеводородных топливах (керосин, метан) ограничивает возможную частоту работы устройств и снижает общую эффективность установки. С другой стороны, определение критических условий инициирования и распространения детонации в водород-воздушных смесях в широком диапазоне начальных условий необходимо для проектирования объектов водородной энергетики и прогнозирования последствий аварий при выбросах водорода.

Воздействие неравновесной плазмы на газодинамические и химические процессы в реагирующей среде может стать эффективным инструментом управления инициированием детонации в ПДУ. Теоретическое исследование механизмов инициирования под действием неравновесной плазмы электрических разрядов является актуальной задачей для совершенствования существующих и разработки новых методик инициирования детонации.



Формирование детонационных волн происходит при взаимодействии газодинамических процессов и процессов тепловыделения в химических реакциях. При теоретическом исследовании механизмов инициирования детонации важную роль играют модели горения топлив, которые отражают особенности кинетики воспламенения и тепловыделения. В связи с этим, задача развития методик моделирования кинетики процессов горения в детонационных волнах, приемлемых с точки зрения вычислительных ресурсов и обеспечивающих высокую точность моделирования детонационных явлений является актуальной.

Цель и задачи исследования. Для достижения основных целей работы:

  • развитие эффективных с вычислительной точки зрения химических моделей горения топливо-кислородных смесей для моделирования динамики детонационных и ударных волн в реагирующих средах;
  • исследование механизмов инициирования детонации под действием неравновесной плазмы электрических разрядов

в диссертации ставятся и решаются следующие задачи:

1. Для определения роли кинетики реакций горения в инициировании детонации провести теоретическое исследование механизмов формирования ударных волн в пространственно неоднородной воспламеняющейся среде. Рассмотреть два типа кинетики модельных реакций горения: простая реакция первого порядка, разветвленно-цепная реакция.

2. Усовершенствовать описание стадии тепловыделения в модели параметра индукции (Induction Parameter Model, IPM) с целью повышения точности моделирования динамики ударных волн при инициировании и распространении детонации.

3. Развить модель горения пропана для газодинамического моделирования инициирования детонации, учитывающую влияние неравновесной плазмы на кинетику воспламенения пропан-кислород-азотных смесей в диапазоне температур, давлений и химических составов реагирующих смесей, характерных для рабочих условий пульсирующих детонационных устройств.

4. Для обоснования предлагаемой модификации модели параметра индукции и подтверждения теоретических выводов о роли кинетики горения в детонационных явлениях провести моделирование ячеистой структуры детонационной волны на примере водород-кислородных смесей. Сравнить результаты моделирования с экспериментальными данными и предсказаниями на основе расчетов с детальной кинетической схемой.

5. Исследовать механизмы и критические условия инициирования детонации за взрывными и падающими ударными волнами в условиях предварительного воздействия неравновесной плазмы импульсных электрических разрядов.

Научная новизна. Новыми являются следующие результаты работы:

1. Методика расчета константы скорости и энергии активации в одностадийной модели горения пропана для газодинамического моделирования инициирования детонации, учитывающая влияние неравновесной химически активной плазмы импульсного разряда на кинетику воспламенения.

2. Демонстрация существенного снижения критической энергии прямого инициирования детонации взрывными волнами в среде с локальными неоднородностями (тепловыми или связанными со сверхравновесной концентрацией химически активных атомов и радикалов), образовавшимися при воздействии неравновесной плазмы электрических разрядов.

3. Обоснование доминирующей роли многомерного механизма инициирования детонации над одномерным при инициировании детонации в среде с локальными неоднородностями, образовавшимися при воздействии неравновесной плазмы электрических разрядов.

4. Транспортное уравнение, описывающее рождение и распространение газодинамических возмущений в пространственно неоднородной воспламеняющейся среде.

5. Модифицированная модель параметра индукции, обеспечивающая точное воспроизведение кинетики тепловыделения в химических реакциях и методика расчета ее коэффициентов.

Практическое значение работы. Результаты работы представляются практически важными для следующих приложений:

1. Модифицированная модель параметра индукции позволяет проводить инженерную количественную оценку развития детонационных волн в двух- и трехмерном моделировании при доступных в настоящее время вычислительных ресурсах.

2. Одностадийная модель горения пропана, учитывающая влияние неравновесной плазмы на кинетику воспламенения, может применяться для газодинамических расчетов инициирования детонации под действием неравновесной плазмы в пропан-кислород-азотных смесях для широкого диапазона условий, характерных для детонации (T > 1200 К, P > 1 атм).

3. Установленный эффект существенного снижения критической энергии прямого инициирования детонации (например, искровым разрядом) в топливо-кислородных смесях с локальными неоднородностями, сформировавшимися при воздействии неравновесной плазмы, может быть использован для оптимизации существующих и разработки новых схем плазменного инициирования детонации.

Апробация работы. Результаты работы были представлены на научных семинарах НИИ механики МГУ, механико-математического факультета МГУ, ЦИАМ, ГУП ЦНИИМаш, а также на российских и международных конференциях: LVIII Научная Конференция Московского Физико-Технического Института, Москва, Россия, ноябрь, 2005; Non-Equilibrium Plasma, Combustion and Atmospheric Pollution (2nd NEPCAP), Sochi, Russia, октябрь 2005; 31st International Symposium on Combustion (31st ISC), Heidelberg, Germany, август, 2006; 21st International Colloquium on Dynamics of Explosions and Reactive Systems (21st ICDERS), Poitiers, France, июль, 2007; 7th International Symposium on Hazards, Prevention and Mitigation of Industrial Explosions, Saint-Petersburg, Russia, июль, 2008.

Публикации. За время работы над диссертацией опубликовано шесть печатных работ.

Объём и структура диссертации. Работа изложена на 194 страницах, иллюстрирована 54-я рисунками и содержит 12 таблиц. Диссертация состоит из введения, включая литературный обзор, и четырех глав. Список цитированной литературы содержит 115 наименований.

Содержание работы

Введение

Содержит обоснование актуальности работы, формулировку целей исследования и описание структуры диссертации, а также критический обзор литературы, посвящённый следующим темам:

  • экспериментальные исследования по инициированию детонации с использованием электрических разрядов и теоретические исследования влияния неравновесной плазмы на воспламенение реагирующих смесей;
  • модели кинетики реакций горения для численного моделирования распространения нестационарных детонационных волн;
  • теоретические исследования механизмов инициирования детонации на примере систем с градиентом времени индукции.

Исследование инициирования детонации с помощью плазмы электрических разрядов проводилось в основном экспериментально, теоретические модели и расчеты, учитывающие одновременно как химические, так и газодинамические процессы при инициировании под действием неравновесной плазмы, отсутствуют.

Общепринятые модели кинетики реакций горения, применяющиеся в газодинамических расчетах инициирования детонации, не отражают всех кинетических особенностей процессов горения. Также отсутствуют общие методики вычисления их коэффициентов, в частности, основанные на расчетах с детальными кинетическими схемами.

Основной целью теоретических и расчетных работ, изучавших инициирование детонации в системах с градиентом времени индукции, было установление механизмов инициирования и проверка критерия Зельдовича для формирования детонации при Аррениусовой кинетике химических реакций. Детального исследования влияния типа кинетики химических реакций и физико-химических параметров на механизмы и условия формирования детонации не проводилось.

По результатам обзора литературы для достижения целей работы предложен следующий план:

  • изучить роль кинетики химических реакций при формировании ударных волн и инициировании детонации и выработать основные требования к моделям реакций горения;
  • предложить кинетические модели горения топлив, учитывающие особенности воспламенения и горения, в частности, при воздействии неравновесной плазмы разрядов;
  • используя развитые модели кинетики химических реакций, изучить механизмы инициирования детонации ударными волнами при воздействии неравновесной плазмы импульсного электрического разряда.

Первая глава

Рассматривает задачу аналитического описания формирования ударных волн при инициировании детонации в пространственно неоднородной воспламеняющейся среде с целью исследования влияния типа кинетики химических реакций и физико-химических параметров реагирующих смесей на процессы инициирования детонационных волн.

В разделе 1.1 развивается общий теоретический подход для описания формирования ударных волн в пространственно неоднородной воспламеняющейся среде.





Рассматривается ситуация, когда в реагирующей среде в начальный момент времени создана локальная тепловая неоднородность, горячее пятно, с линейным распределением температуры. В пределах горячего пятна начинается самовоспламенение газа, приводящее к его расширенияю и образованию газодинамических возмущений.

Для теоретического анализа рассматриваемой физической системы методика транспортного уравнения, описывающего изменение градиентов газодинамических переменных вдоль характеристик уравнений газовой динамики, развивается на случай нестационарной неоднородной реагирующей среды (в продолжение результатов для инертной [1] и пространственно однородной реагирующей [2] сред).

Показано, что для условий, характерных для инициирования детонации, в системе имеется малый параметр = c0/wsp, отношение скорости звука к скорости волны самовоспламенения (спонтанное пламя Зельдовича [3])

wsp = 1/|grad(tind(x))| (1)

где tind(x) – время индукции воспламенения, определяемое только начальными условиями. Существование малого параметра позволило представить решение уравнений Эйлера газовой динамики в виде суммы нулевого приближения – спонтанного пламени Зельдовича, и возмущений первого порядка малости.

Для возмущений первого порядка малости выведено транспортное уравнение1, описывающее изменение градиента газодинамических переменных вдоль правой характеристики уравнений газовой динамики:

(2)

где x – пространственная координата, t - время, - градиент скорости u(1), - параметр, определяющий линию, вдоль которой распространяются звуковые возмущения, - параметр, определяющий характеристику уравнений газовой динамики.

Для решения задачи об определения точки формирования ударной волны xcr (момент времени cr) предложен алгоритм решения системы уравнений (2), основанный на малости введенного безразмерного парамера .

В разделе 1.2 проводится параметрическое исследование механизмов и условий формирования ударных волн в неоднородной воспламеняющейся среде для случая, когда процесс горения описывается простой реакцией первого порядка F P, скорость которой зависит от температуры по закону Аррениуса

w = k0(1-Y)exp(-E/RT), (3)

где k0 – предэкспоненциальный множитель, E – энергия активации, Y – массовая доля продукта реакции P.

Решение системы ОДУ (2) в широком диапазоне изменения параметров задачи показало, что: 1) максимальная температура в центре горячего пятна оказывает влияние на формирование ударной волны, только если не превышает некоторого критического значения, 2) скорость спонтанного пламени в начальной точке критической характеристики не зависит ни от начального градиента температуры, ни от энергии активации химической реакции и равна wsp* = 2,5cb при = 1.4, 3) формирование ударной волны происходит вблизи точки с максимальной скоростью тепловыделения. Таким образом, энергия активации, градиент температуры и абсолютное значение времени индукции определяют условия формирования ударных волн через одну величину – скорость «спонтанного пламени». На основе полученных результатов предложен метод оценки пространственного масштаба формирования ударных волн.

Решение полной системы уравнений газовой динамики для той же модели кинетики реакций горения (3) показало, что решение системы уравнений (2) предсказывает расстояние до формирования ударной волны с точностью до 8%, что можно считать приемлемым для развиваемой теоретической модели.

В разделе 1.3 исследование формирования ударных волн в неоднородной воспламеняющейся среде проводится для случая разветвленно-цепной кинетики химических реакций. Реакция горения описывалась на основе двухстадийной модели

dY/dt = 0 при 0 t ti, dY/dt = (1-Y)n/thr при t > ti

с начальным условием Y(0)=0, где Y – массовая доля продуктов реакции, ti = t0exp(E/RTini) – время индукции, thr – время тепловыделения, n – порядок реакции на стадии тепловыделения.

Проведенные параметрические расчеты показали, что основным параметром, определяющим условия формирования ударной волны, является отношение времени тепловыделения ко времени индукции = thr/ti в начальной точке критической характеристики x0cr. Если < 0,1, то ударная волна формируется в хвосте зоны тепловыделения, в основном за счет газодинамической нелинейности. Если > 0,1, то формирование ударной волны происходит в зоне интенсивного тепловыделения, значение порядка реакции n существенно влияет на положение точки формирования ударной волны xcr.

В разделе 1.4 подводится итог теоретического исследования роли кинетики химических реакций в задаче о формировании ударных волн при инициировании детонации в пространственно неоднородной воспламеняющейся среде. В частности, сделан следующий вывод: моделирование особенностей кинетики тепловыделения в задачах инициирования детонации важно, если времена воспламенения и тепловыделения имеют один порядок величины.

Рис. 1. Структура стационарной детонационной волны в стехиометрической смеси H2/O2 при температуре 300 K и давлении 1 атм;. детальная кинетическая схема; модифицированная модель параметра индукции IPM.


Pages:   || 2 | 3 |
 

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.