Зарегистрироваться
Восстановить пароль
FAQ по входу

Никитин В.Ф. Моделирование горения пылевоздушной смеси

  • Файл формата pdf
  • размером 16,63 МБ
  • Добавлен пользователем
  • Отредактирован
Никитин В.Ф. Моделирование горения пылевоздушной смеси
Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. — М.: МГУ, 2001. — 182 с.
Специальность 01.02.05 – Механика жидкости, газа и плазмы
Научный руководитель, доктор физико-математических наук, профессор Н.Н. Смирнов
Введение.
Состояние вопроса.
Общая история проблемы.
Обзор научных проблем, возникающих при моделировании пылевоздушных взрывов.
Физические свойства исследуемой среды, существенно влияющие на ее воспламеняемость.
Особенности математического описания исследуемой среды.
Математическая модель турбулентного горения пылевоздушной смеси в закрытом сосуде.
Моделирование динамики газовой фазы.
Осреднение характеристик сжимаемой среды.
Осредненные по Фавру уравнения динамики газовой фазы
Моделирование турбулентности в рамках Ка-эпсилон модели
Рабочий вид уравнений, моделирующих газовую фазу.
Уравнения динамики газовой фазы в цилиндрической системе координат.
Химические взаимодействия в газовой фазе.
Граничные условия для характеристик газовой фазы.
Начальные условия в газовой фазе.
Моделирование пылевой фазы.
Характеристики набора модельных частиц.
Динамика модельной частицы.
Граничные и начальные условия для модельной частицы.
Потоки массы, импульса и энергии от модельной частицы.
Замыкание модели. Потоки в газовую фазу и зажигание.
Пересчет потоков от модельных частиц на эйлерову сетку и расчет объемного содержания пылевой фазы.
Проблемы пересчета вектора импульса на эйлерову сетку в цилиндрической системе координат.
Моделирование зажигания смеси.
Полный набор определяющих параметров.
Численная модель турбулентного горения пылевоздушной смеси и ее алгоритмическая реализация
Численный расчет параметров газовой фазы.
Расчетная сетка для полей характеристик газовой фазы.
Векторная запись основных уравнений газодинамической части задачи.
Расщепление временного шага газовой фазы по координатам и процессам.
Стадия применения локального источника.
Стадия учета конвективных потоков.
Стадия учета вязких или диффузионных членов уравнений газовой фазы.
Численный расчет параметров пылевой фазы и расчет межфазных потоков.
Расчет одного шага по времени движения модельной частицы.
Расчет потоков от одной модельной частицы.
Расчет энергии зажигания, приходящейся на модельную частицу и на узел эйлеровой сетки.
Расчет величины шага по времени.
Стратегия расчета одного шага по времени.
Параметры численной модели.
Результаты вычислений.
Расчет сгорания органической пыли в закрытом объеме.
Температура газа и скорости реакций.
Концентрация метана и кислорода.
Интенсивность межфазного массообмена и температура частиц.
Распределение плотности газа.
Интегральные параметры горения в зависимости от времени
Верификация теоретической модели. Расчеты при различных значениях определяющих параметров.
Верификация теоретической модели.
Зависимость скорости распространения пламени и давления в камере от различных значений определяющих параметров.
Чувствительность зажигания к изменениям определяющих параметров.
Актуальность темы. В энергетике, металлургии, в угольной, химической, текстильной, пищевой и некоторых других отраслях промышленности многие технологические процессы связаны с выделением большого количества пыли. Часть этой пыли в процессе работы может попадать в рабочее помещение, смешиваясь с атмосферным воздухом, даже при наличии местной и общей вентиляции. При определенных условиях пыле - воздушная смесь может вспыхнуть. Широко известны последствия вспышек угольной пыли в шахтах, взрывов на элеваторах и в хлебопекарнях и т.д. Эти взрывы всегда влекут значительные материальные затраты и иногда приводят к человеческим жертвам.
Цели и задачи исследования. Проблема, решаемая настоящим исследованием - разработка математической модели горения пылевоздушных смесей в рамках эйлерово-лагранжева подхода с учетом турбулентности течения, полидисперсности смеси и физико-химических превращений как в газовой фазе, так и на межфазной поверхности. Эйлерово-лагранжевый подход представляет собой описание газовой фазы в рамках подхода Эйлера с использованием разностной сетки для численного представления полей переменных параметров. Для описания диспергированной фазы используется подход Лагранжа без введения разностной сетки, вместо этого реальные пылевые частицы группируются по признаку сходных свойств и расположения в модельные частицы, каждая из которых представляет собой множество однотипных реальных. Подобный подход легко позволяет задавать и исследовать смеси, в которых диспергированная фаза состоит из частиц со значительной разницей в размерах, массе и физико-химических свойствах (то есть полидисперсные смеси).
Практическая значимость работы состоит в реализации теоретических исследований и методических выводов в виде замкнутой и пригодной к численной реализации математической модели процессов горения пылевоздушных смесей, а также рабочих алгоритмов и программ, позволяющих проводить расчеты по этой модели. Модель позволяет рассчитывать изменение распределенных в пространстве параметров пылевоздушной среды: давления, температуры, плотности, концентрации химических компонент, скорости и степени турбулизации фаз, состава и размера диспергированных частиц и других. Кроме этого, модель позволяет определить положение, скорость и толщину фронта горения при взрыве пылевоздушной смеси в замкнутом пространстве и другие сосредоточенные характеристики этого процесса. В связи с практической актуальностью тематики исследования пылевых взрывов как на предмет оценки взрывоопасности промышленных объектов, так и на предмет исследования сжигания мелкодисперсного угля в качестве топлива, эта модель может иметь значительные перспективы. Поскольку модель допускает расширение области своего применения, то перспективность ее не подлежит сомнению.
В диссертации:
Создана численная модель для описания динамики турбулентного горения смесей газа с полидисперсными частицами. Модель учитывает термическое разрушение частиц, химические процессы в газовой фазе и гетерогенные реакции окисления на поверхности частиц как в диффузионном, так и в кинетическом режимах. Модель проверялась сравнением с независимыми экспериментами и позволяет определить особенности турбулентного горения полидисперсных смесей.
Исследована чувствительность зажигания и горения полидисперсных смесей к изменениям внешних определяющих параметров.
Показано, что зона горения гетерогенных смесей имеет большую толщину и нерегулярную структуру с многочисленными горячими областями. Скорость ее распространения сильно зависит от начальной турбулизации, распределения частиц по размерам, концентрации кислорода в газовой смеси. Увеличение размеров частиц и концентрации кислорода приводит к увеличению толщины и нерегулярности зоны горения. Возрастание начального уровня турбулизации ускоряет распространение пламени но подавляет зажигание вблизи предельных условий поджигания смеси. Уменьшение средней объемной концентрации пыли уменьшает скорость распространения пламени и создает менее благоприятные условия для зажигания вблизи пределов.
  • Чтобы скачать этот файл зарегистрируйтесь и/или войдите на сайт используя форму сверху.
  • Регистрация