На правах рукописи
Какуткина Наталья Александровна
ГОРЕНИЕ ГАЗОВ В ГЕТЕРОГЕННЫХ СИСТЕМАХ
Специальность: 01.04.17 – Химическая физика, горение и взрыв, физика
экстремальных состояний вещества
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
доктора физико-математических наук
Новосибирск 2011
Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте химической кинетики и горения Сибирского отделения РАН
Официальные оппоненты:
доктор физико-математических наук, профессор Зарко Владимир Егорович доктор физико-математических наук, профессор Федоров Александр Владимирович доктор физико-математических наук, профессор Шкадинский Константин Георгиевич
Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения РАН (г. Новосибирск)
Защита состоится « 26 » октября 2011 г. в 15 часов на заседании Диссертационного совета Д 003.014.01 при Институте химической и кинетики и горения СО РАН по адресу: 630090, г. Новосибирск, ул. Институтская, 3. Институт химической кинетики и горения СО РАН
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института химической кинетики и горения СО РАН.
Автореферат разослан « » _ 2011 г.
Ученый секретарь диссертационного совета доктор химических наук А.А. Онищук
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Описание процессов горения газов в гетерогенных системах, то есть системах, включающих конденсированную фазу, представляет собой, с одной стороны, фундаментальную проблему, обладающую богатейшей физикой, а с другой стороны, имеет большое практическое значение, обусловленное участием конденсированной фазы во многих промышленных горелочных устройствах и технологических процессах. Примерами гетерогенных систем горения являются волны газового горения в аэрозолях, пористых средах, узких трубках, горение газов в загроможденных пространствах. Проблемы прогнозирования процессов горения в гетерогенных системах еще далеки от полного решения. Недостаточность фундаментальных знаний о процессах горения в таких системах ограничивает решение прикладных задач и разработку адекватных технологических регламентов. Сложность процессов горения в гетерогенных системах обусловлена разнообразием типов межфазного взаимодействия и элементарных физических и химических процессов, участвующих в процессе горения. Сюда относятся межфазный тепло- и массообмен, кондуктивный перенос тепла в системе по газовой и конденсированной фазам, диффузионный и конвективный перенос тепла и массы по газовой фазе, гомогенные или гетерогенные химические реакции, гидро- и аэродинамическое взаимодействие газа с конденсированной фазой, возможные фазовые превращения. В различных гетерогенных системах доминируют те или иные физические процессы, определяющие характеристики, режимы и закономерности процесса горения.
Выбор гетерогенных систем горения в данной работе обусловлен стремлением выявить роль различных физических факторов. В частности, в рамках диссертации рассмотрены следующие гетерогенные системы:
1. фильтрационное горение газов (ФГГ) в пористых средах как пример системы с сильным тепловым межфазным взаимодействием;
2. фильтрационное горение жидких монотоплив – система аналогичная предыдущей, но осложненная фазовыми превращениями;
3. горение водоосновных пен, заполненных горючим газом – система с жидким каркасом, подвергающимся деструкции в процессе горения;
4. горение в закрытых загроможденных сосудах – как пример системы с сильным газодинамическим взаимодействием.
Цели и задачи работы. Целью работы является разработка физикоматематических моделей горения гомогенных газовых смесей в гетерогенных системах, проверка их работоспособности на экспериментальном материале, анализ на основе полученных моделей закономерностей горения в гетерогенных системах в плане объяснения экспериментальных результатов и практических применений. В рамках поставленной цели решались следующие задачи:
- получение новых экспериментальных данных по горению газов в выбранныхгетерогенных системах;
- создание физических моделей горения газов;
- разработка соответствующих математических моделей;
- разработка методов их решения;
- анализ закономерностей горения на основе разработанных моделей;
- проверка работоспособности моделей на экспериментальном материале.
Научная новизна представляемой работы состоит в создании работоспособных математических моделей горения газа в ряде гетерогенных систем, позволивших понять ранее не находившие объяснения экспериментальные факты, прогнозировать поведение этих систем в различных параметрических условиях и обосновать пути усовершенствования практических устройств горения.
Впервые экспериментально обнаружено занижение температуры в волне ФГГ относительно термодинемически равновесной для бедных водородо-, богатых пропано-воздушных смесей и во всем диапазоне составов метановоздушных смесей.
Объяснено неизменно проявляющееся на эксперименте явление – наклонная неустойчивость спутных волн ФГГ.
Проведены систематические экспериментальные и теоретические исследования нестационарных волн ФГГ: сферических волн ФГГ, нестационарных эффектов, индуцированных изменением параметров системы, процесса формирования волны ФГГ пламенем, стабилизированным на поверхности пористой среды.
Разработаны теоретические основы нового раздела фильтрационного горения – фильтрационного горения жидких монотоплив. Проанализированы закономерности фильтрационного горения жидких монотоплив, что позволило установить наличие двух низкоскоростных режимов в этой системе и провести аналогию с фильтрационным горением газа. Теоретически предсказана возможность адиабатических пределов горения по скорости фильтрации, проанализирована их природа.
Предложена феноменологическая модель горения водогорючих пен.
Проведены экспериментальные исследования горения газа в сферических сосудах разного объема, как свободных, так и загроможденных. Это позволило сформулировать принципы масштабного моделирования газовых взрывов в загроможденном пространстве.
Практическая значимость. Разработаны теоретические основы процесса “прогорания” промышленных огнепреградителей, что позволило установить пути повышения их огнестойкости.
На основе изучения сферических волн ФГГ предложены метод стабилизации волны ФГГ в пористой среде и упрощенный метод определения адиабатической температуры горения газовой смеси, что отражено в патентах [17, 18].
Разработанная модель фильтрационного горения жидких монотоплив может быть использована для прогнозирования поведения жидкостных горелок на основе фильтрационного горения.
На основе результатов масштабного моделирования внутренних газовых взрывов в загроможденных сосудах предложен метод оценки скорости горения в полномасштабных загроможденных сосудах на основе маломасштабных моделей.
Личный вклад автора. Все представленные в диссертации результаты получены лично автором или при его непосредственном участии. Постановка задачи по сферической волне ФГГ (глава 4) предложена Бабкиным В.С., проведение экспериментов, разработка теоретической модели, ее анализ, подготовка публикаций проделаны автором. Работы по горению пен (глава 8) (проведение экспериментов, обработка и анализ результатов) проводились совместно с Замащиковым В.В., теоретическая модель горения пен разработана автором. Эксперименты по масштабному моделированию газовых взрывов (глава 9) проводились большим коллективом при непосредственном участии автора. Обобщение и анализ результатов проведены автором. В остальных разделах вклад автора определяющий.
На защиту выносится совокупность результатов исследований волн газофазного горения в гетерогенных системах:
1. Результаты экспериментального исследования особенностей фильтрационного горения водородо-, пропано- и метано-воздушных смесей и их интерпретация.
2. Модели очаговой и наклонной неустойчивости волн ФГГ.
3. Результаты экспериментальных и теоретических исследований закономерностей распространения сферических волн ФГГ.
4. Результаты экспериментального изучения и теоретического анализа процесса прогорания пористых огнепреградителей.
5. Результаты экспериментального и теоретического изучения нестационарных волн ФГГ при изменении физических параметров системы.
6. Математическая модель фильтрационного горения жидких монотоплив и анализ на ее основе закономерностей фильтрационного горения жидкостей.
7. Математическая модель горения водоосновных пен, заполненных горючим газом и ее верификация на экспериментальном материале.
8. Экспериментальные результаты масштабного моделирования горения газов в закрытых загроможденных сосудах и предложенный на их основе метод оценки скорости горения в полномасштабных загроможденных сосудах.
Достоверность результатов. Достоверность экспериментальных результатов подтверждается выполнением тепловых балансов в волнах горения, составленных на основе измеренных характеристик волн горения. Достоверность аналитических моделей обосновывается примененим классических уравнений горения, верифицированных методов решения, выполнением частных случаев.
Достоверность результатов численного моделирования обусловлена применением отработанных численных технологий, выполнением частных тестов на задачах, имеющих аналитическое решение.
Апробация работы. Результаты диссертационных исследований докладывались на IV и V Международном семинаре по структуре пламен (Новосибирск, 1992, 2005), 25 Международном симпозиуме по горению (1994 г.), Всесоюзном Симпозиуме по горению и взрыву (Суздаль, 1989 г.), на Международной конференции по горению, посвященной памяти Зельдовича (Москва, г.), 9 Симпозиуме по горению и взрыву в Черноголовке (1996 г.), Международном Симпозиуме по химии пламени (Алма-Ата, 1997), 4 Международной школе-семинаре в Минске (2001 г.), Международном симпозиуме “Actual problems of physical hydroaerodynamics” (1999 г.), 16 Международном симпозиуме по процессам горения в Польше (1999 г.), Международной конференции «Сопряженные задачи механики, информатики и экологии» в Томске (2002 г.), II Международном симпозиуме “Горение и плазмохимия” в Алма-Ате (2003 г.), Международной конференции по химическим реакторам в Берлине (2003 г.), Международной конференции “Сопряженные задачи механики реагирующих сред, информатики и экологии” в Томске (2007 г.), Всероссийской конференции “Современные методы математического моделирования природных и антропогенных катастроф.” в Барнауле (2007 г.), Международной конференции по методам аэродинамических исследований в Новосибирске (2008 г.), 7 Международной конференции “Mathematical modeling of dangerous natural phenomena and catastrophes” в Томске (2008 г.), II Всероссийской научно-практической конференции с международным участием “Энергетические, экологические и технологические проблемы экономики (ЭЭТПЭ-2008)” в Барнауле (2008 г.), а также на семинарах в ИХКГ СО РАН, Институте теплофизики СО РАН.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 56 печатных работ, в том числе статей 43, 2 патента.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, девяти глав, заключения и списка литературы. Всего 331 страница с 6 таблицами и рисунками, библиография, включает 205 источников.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования, описана структура диссертации.
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ
ФИЛЬТРАЦИОННОГО ГОРЕНИЯ ГАЗОВ
Поскольку большая часть работы посвящена вопросам фильтрационного горения газов (ФГГ), в первой главе дан обзор современного состояния исследований в этой области на основе доступных отечественных и зарубежных литературных источников. Основы фильтрационного горения газов как самостоятельного раздела науки о горении заложены главным образом работами российских ученых (Бабкин В.С., Лаевский Ю. М., Дробышевич В.И., Потытняков С.И., Коржавин А.А., Бунев В.А., Минаев С.С., Лямин Г.А., Пинаев А.В., Вайнштейн П.Б., Жижин Г.В., Ларина Т.И. и др.) и Белорусской школы (Жданок С.А., Добрего К.В., Футько С.И., Рабинович О.С. и др.). В последнее десятилетие фильтрационное горение газов активно развивается во всем мире, главным образом, в направлении практических применений (Dhamrat R.S., Ellzey J.L., Contarin F., Saveliev A.V., Fridman A.A., Kennedy L.A., Hoffman J.G., Echigo R., Yoshida H.,Tada S. и ряд других ученых).Приведена классификация режимов ФГГ, сложившаяся в настоящий момент, включая дозвуковые и звуковые режимы. Дальнейший анализ был сосредоточен на дозвуковых режимах в соответствии с предметом исследований в диссертации. К ним относятся режим низких скоростей (РНС) и режим высоких скоростей (РВС). Основные достижения в этой области можно сформулировать в следующих положениях:
Разработаны математические модели ФГГ и методы их решения.
В рамках этих моделей дана сравнительная характеристика структуры волн ФГГ в РВС и РНС.
Установлены параметрические области существования режимов РВС и РНС.
Установлены определяющие параметры и параметрические зависимости скорости волн ФГГ.
Обнаружено явление “сверхадиабатики” в спутных волнах ФГГ.
Показано, что теоретические модели качественно хорошо описывают поведение волн ФГГ, но количественно плохо предсказывают значения скорости волны, что предположительно связывается с недостаточночтью знаний о физических параметрах пористых сред.
Установлена природа пределов по скорости фильтрации для волн ФГГ.
Проведено экспериментальное исследование и предложено несколько моделей неустойчивости волн ФГГ.
Рассмотрены условия переходов РНС-РВС.
Проведенный литературный обзор позволяет заключить, что на настоящий момент ФГГ представляет собой самостоятельный раздел горения. В части стационарных волн этот тип горения достаточно хорошо изучен, включая режимы, механизмы горения, структуру волны горения, определяющие параметры и параметрические зависимости скорости и температуры горения, предельные явления, математические модели. В то же время существует ряд вопросов, отсутствие ответов на которые тормозит широкое использование ФГГ на практике, несмотря на очевидную практическую привлекательность этого типа горения. Среди таких вопросов – роль селективной диффузии компонентов газовой смеси, которая может являться причиной количественного расхождения вычисленных и измеренных значений скорости волны. Практически не исследованы нестационарные процессы ФГГ, играющие важную роль в практических системах: зажигание, гашение волн ФГГ, распространение в нестационарных параметрических условиях, недостаточно исследованы явления неустойчивости волн ФГГ. Этим вопросам посвящены 2 – 6 главы диссертации.
2. ОСОБЕННОСТИ ФИЛЬТРАЦИОННОГО ГОРЕНИЯ ВОДОРОДО-,
ПРОПАНО- И МЕТАНО-ВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ В ИНЕРТНЫХ
ПОРИСТЫХ СРЕДАХ
Общепризнано, что эффекты селективной диффузии компонентов газовой смеси могут существенно менять характеристики газовых пламан. При ФГГ в пористой среде искривление поверхности пламени, способствующее проявлению эффектов селективной диффузии, неизбежно ввиду самой структуры пористой среды. Поэтому, если для ламинарных пламен наблюдение эффектов селективной диффузии, как правило, требует создания определенных условий, то при фильтрационном горении газа в пористых средах эти эффекты должны быть внутренне присущи самой системе. Наиболее яркое проявление эффектов селективной диффузии наблюдается в бедных водородо- и богатых пропановоздушных пламенах, то есть, когда число Льюиса недостающего компонента газовой смеси больше 1. Основываясь на предположении, что эта закономерность сохраняется и для микропламен в порах пористой среды, в данном разделе делается попытка выявления эффектов селективной диффузии при ФГГ путем сравнительного экспериментального исследования закономерностей фильтрационного горения водородо-, пропано- и метано-воздушных смесей.На рис. 1 представлены зависимости скорости волны ФГГ от коэффициента избытка топлива для таких смесей. Положительные значения скорости соответствуют распространению волны горения спутно с потоком газа, а отрицательные – против потока. Все зависимости имеют V-образную форму. Обращает на себя внимание, что минимум зависимости u() для водородных смеm-m,exp), К u, см/с 0, -0, 0, 0, -0, Рис. 1. Зависимости скорости волны горения от коэффициента избытка фильтрации v=1,45 м/с; b – C3H8+воздух: v=0.52 м/с (1), 0.66 м/с (2), 0.79 м/с (3); c – CH4+воздух: 1-4 v=0.30.4 м/с (1), 0.40.5 м/с (2), 0.60. размер зерна пористой среды мм, 5 – 56 мм, v=0.24 м/с (1), 0.3 м/с (2, 5), 0.45 м/с (3), 0.6 м/с (4).
сей находится в богатой области при 1,5, а для пропано- и метано-воздушных – в бедной, в то время, как теоретически минимум должен приходиться на =1.
На рис. 2 приведены значения разницы между расчетной и экспериментально измеренной температурой пористой среды в волне ФГГ. Видно, что измеренная температура занижена относительной термодинамически рассчитанной в бедной области для водородных смесей и в богатой области для пропановых смесей, т.е. там же, где наблюдаются эффекты селективной диффузии для обычных пламен. Это позволяет предположительно связать наблюдаемые отклонения с эффектами селективной диффузии. Примечательно, что для метановоздушных смесей, для которых в условиях обычных пламен эффекты селективной диффузии проявляются редко, отклонения температуры от расчетной при ФГГ обнаружены во всем диапазоне составов смеси.
Показано, что два вида аномалии - сдвиг минимума скорости волны относительно =1 и занижение температуры в волне горения относительно термодинамически рассчитанной, связаны между собой. Расчет максимальной температуры пористой среды проводился по соотношению Здесь u – скорость волны ФГГ, v – скорость фильтрации газа, сg, cs – теплоемкости газа и пористой среды, g и s – (m-m,exp)/m среды от измеренной от эффективного основанная на явлении селективчисла Льюиса: a – H2+воздух, b – порах, оказываются на разных уровнях вдоль направления потока газа. Микропламена, выдающиеся в сторону свежей смеси, так же, как выпуклости в искривленном ламинарном пламени, получают дополнительный поток компонентов газовой смеси, диффузионно извлекаемых из окружения. Соответственно в порах следующего уровня сгорает смесь, обедненная реагирующими компонентами. Такое диффузионное расслоение приводит к тому, что в первом ряду микропламен выделяется тепла больше, чем в случае обычного плоского пламени исходной смеси, а во втором – меньше. Более того, если диффузионное расслоение сильное, то смесь, поступающая ко второму ряду пор, может оказаться за пределом горючести. Тогда усредненное по двум рядам тепловыделение окажется меньше, чем тепловой эффект исходной смеси. Предложенная модель объясняет также наличие эффекта для метано-воздушных смесей. При этом близость значений коэффициента диффузии метана и кислорода обуславливает наличие эффекта как в бедной, так и в богатой области.
В литературе введено эффективное число Льюиса, характеризующее влияние селективной диффузии на нормальную скорость ламинарного пламени.
На рис. 3 величины относительного “занижения” температуры в волне фильтрационного горения водородо- и пропано-воздушных смесей приведены в функции эффективного числа Льюиса. Видно, что величина эффекта как для водородо-, так и для пропано-воздушных смесей монотонно растет с увеличением Leef. Эта корреляция свидетельствует в пользу гипотезы о селективной диффузии.
3. НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ УСТОЙЧИВОСТИ ГОРЕНИЯ ГАЗА В
ПОРИСТЫХ СРЕДАХ
Неустойчивость волн ФГГ является негативным фактором при работе практических устройств на основе ФГГ. Поэтому исследованию природы неустойчивости посвящено большое количество работ. Наиболее обширное исследование представлено в диссертации Добрего К.В. Различают очаговую и наклонную неустойчиu вость. В данной работе рассмотрены две модели неустойчивости, ранее не рассмотренные или расФронт горения смотренные частично.на очаговую неустойчивость.
На рис. 4 представлена схема очаговой неустойчивости. Очаг представляется в виде цилиндра Рис. 4. Схема очаговой диаметром d. На поверхности, нормальной к векто- неустойчивости.
ру скорости фильтрации, идет обычное фильтрационное горение. Боковые поверхности очага омываются холодной свежей смесью. Поэтому к боковой поверхности конвективно подводятся компоненты газовой смеси, концентрация которых в продуктах ниже, чем в свежей смеси, и отводится тепло за счет разницы температур продуктов и свежей смеси. В результате меняется температура горения на нормальной к скорости фильтрации поверхности.
В рамках такой модели для обедненных топливом смесей получены следующие критерии развития очаговой неустойчивости:
«