Сетевое издание
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

ЧИСЛЕННЫЙ АНАЛИЗ ИНТЕГРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК И МЕХАНИЗМОВ ЗАЖИГАНИЯ ГЕЛЕОБРАЗНЫХ И ЖИДКИХ КОНДЕНСИРОВАННЫХ ВЕЩЕСТВ

Стрижак П.А. 1 Глушков Д.О. 1 Вершинина К.Ю. 1
1 ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»
Проведены численные исследования процессов тепломассопереноса при зажигании типичных гелеобразных и жидких топлив локальным источником нагрева малых размеров – одиночной разогретой до высоких температур металлической частицей. Получены основные интегральные характеристики исследуемого процесса в рассматриваемых системах – времена задержки зажигания. Проведён сравнительный анализ предельных условий и реализуемых режимов зажигания гелеобразного и жидкого топлив. В результате проведённых численных исследований выявлены значительные различия расположения зоны локализации ведущей реакции окисления в рассматриваемых системах. Установлено, что при зажигании гелеобразного топлива значения времён задержки зажигания ниже по сравнению с жидким топливом. Выявлено, что, в отличие от жидкого топлива, зона ведущей реакции окисления продуктов испарения горючего формируется в малой окрестности поверхности контакта гелеобразного топлива с частицей.
нагретая металлическая частица
жидкое топливо
гелеобразное топливо
зажигание
окисление
кристаллизация
испарение
плавление
тепломассоперенос
1. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. – М.: ООО “Старс”, 2006. – 720 с.
2. Захаревич А.В., Стрижак П.А.Пожарная опасность взаимодействия источников ограниченного теплосодержания с легковоспламеняющимися жидкостями // Пожарная безопасность. – 2011. - № 4. – С. 70–75.
3. Кузнецов Г.В., Стрижак П.А. Анализ возможных причин макроскопических различий характеристик зажигания жидкого топлива локальным источником энергии и массивным нагретым телом // Химическая физика. – 2012. – Т. 31. - №. 7.– С. 41–55.
4. Кузнецов Г.В., Стрижак П.А. Газофазное зажигание пленки жидкого конденсированного вещества нагретой до высоких температур металлической частицей в условиях смешанной конвекции // Инженерно-физический журнал. – 2009. – Т. 82. - № 6. – С. 1052–1058.
5. Кузнецов Г.В., Стрижак П.А. Численное исследование процессов тепломассопереноса при зажигании гелеобразного топлива источником ограниченной энергоемкости // Инженерно-физический журнал. – 2013. – Т. 86. - № 3. – С. 652–660.
6. Юренев В.Н., Лебедев П.Д. Теплотехнический справочник. – М: Энергия, 1975. – Т. 1. – 743 с.
7. Юренев В.Н., Лебедев П.Д. Теплотехнический справочник. – М: Энергия, 1975. – Т. 2. – 896 с.
8. Vilyunov V.N., Zarko V.E. Ignition of solids. – Amsterdam: Elsevier Science Publishers, 1989. – 442 p.
9. Kuznetsov G.V., Strizhak P.A. Transient heat and mass transfer at the ignition of vapor and gas mixture by a moving hot particle // International Journal of Heat and Mass Transfer. – 2010. – V. 53, no. 5–6. – P. 923–930.

Введение

Процессы инициирования жидких и гелеобразных топлив имеют широкое распространение в энергетических системах, авиационной и космической технике, баллистических и других специальных установках. Численным исследованиям макроскопических закономерностей зажигания таких топлив при локальном подводе энергии посвящено большое количество теоретических работ [2, 3, 5]. Положения общей теории зажигания конденсированных веществ в условиях локального нагрева создают предпосылки к созданию новых энергоэффективных технологий инициирования конденсированных веществ в технологических установках. Представляет интерес проведение сравнительного анализа основных механизмов и закономерностей тепломассопереноса при зажигании жидких и гелеобразных топлив.

Целью настоящей работы является численное исследование макроскопических закономерностей взаимосвязанных процессов тепломассопереноса, фазовых переходов и химического реагирования при газофазном зажигании гелеобразного и жидкого конденсированного вещества типичным локальным источником ограниченной энергоемкости, разогретой до высоких температур металлической частицей малых размеров.

Постановка задачи

При постановке задачи зажигания гелеобразного топлива считалось, что разогретая до высоких температур металлическая частица инерционно осаждается на его поверхность (рис. 1). Температура топлива близка к криогенной. Топливо содержит окислитель и горючее. При этом окислитель для придания желеобразного агрегатного состояния сгущен добавками солей и гидратов. Объемные доли горючего (φ) и окислителя (1–φ) в конденсированном веществе известны. За счет энергии частицы приповерхностный слой топлива прогревается. Ускоряются процессы плавления топлива, находящегося в начальный момент времени при криогенных температурах в твердом агрегатном состоянии. При достижении условий парообразования происходит испарение гелеобразной структуры «горючее – окислитель». Пары горючего и окислителя поступают в область, заполненную инертным газом. В малой окрестности частицы формируется парогазовая смесь, содержащая горючее, окислитель и инертный газ. При достижении достаточных для воспламенения температур и концентраций компонентов смеси происходит зажигание. Временной интервал с момента выпадения источника нагрева на поверхность топлива до выполнения условий зажигания представляет время задержки зажигания τd.

Рис. 1. Схема области решения задачи: 1 – парогазовая смесь, 2 – разогретая частица, 3 –топливо

Физическая постановка задачи зажигания жидкого конденсированного вещества (рис. 1) аналогична за исключением следующего: отсутствует фаза плавления топлива, окислитель находится в окружающем поверхность топлива воздухе, за счет большей плотности материала частицы по сравнению с жидким веществом происходит ее медленное погружение с формированием парового зазора.

Допущения, принятые при постановке задач, аналогичны [3, 5].

Критерии зажигания, используемые при постановке задачи тепломассопереноса (рис. 1), принимались согласно представлениям современной теории зажигания конденсированных веществ [8]: 1) энергия, выделяемая в результате химической реакции окисления горючего, больше теплоты, передаваемой от разогретой частицы топливу и формирующейся парогазовой смеси; 2) температура смеси газообразных компонентов окислителя и горючего в зоне реакции окисления превышает начальную температуру источника нагрева.

Для описания комплекса взаимосвязанных процессов тепломассопереноса в условиях химического реагирования, экзотермических и эндотермических фазовых переходов при зажигании гелеобразного топлива (0<τ<τd) использовалась следующая система нелинейных нестационарных дифференциальных уравнений математической физики [5]:

для парогазовой смеси (r1<r<rL, z1<z<z2; 0<r<rL, z2<z<zL):

уравнение неразрывности:

; (1)

уравнение движения парогазовой смеси:

; (2)

уравнение энергии для парогазовой смеси:

; (3)

уравнение диффузии паров горючего:

; (4)

уравнение диффузии паров окислителя:

; (5)

уравнение баланса для парогазовой смеси:

; (6)

уравнение теплопроводности для металлической частицы (0<r<r1, z1<z<z2):

; (6)

уравнение теплопроводности для топлива (0<r<rL, 0<z<z1):

. (7)

Начальные условия: T=T0 при 0<r<rL, 0<z<z1; T=Tp при 0<r<r1, z1<z<z2; T=T0, Сf=0, Сo=0, ψ=0, ω=0 при 0<r<rL, 0<z<z1.

Граничные условия:r=0, r=rL, 0<z<z1:; r=0, z1<z<z2:; r=r1, z1<z<z2: ; r=0, r=rL, z2<z<zL:; z=0, 0<r<rL: ; z=z1, 0<r<r1: ;z=z1, r1<r<rL:;z=z2, 0<r<r1:; z=zL, 0<r<rL.

Здесь τ - время, с; τd,с - время задержки зажигания, с; r, z - координаты цилиндрической системы, м; rL, zL - размеры области решения, м; ; ψ - функция тока, м2/c; ω - вихрь скорости, с-1; u, w - компоненты скорости газообразных продуктов испарения горючего и окислителя, м/с; β - коэффициент термического расширения, К-1; g - ускорение свободного падения, м/с2; T - температура, К; T0 - начальная температура топлива и инертного газа, К; Tc - температура кристаллизации материала частицы, К; Tm - температура плавления топлива, К; Tp,К - начальная температура частицы, К; a - температуропроводность, м2/с; Qo - тепловой эффект реакции окисления паров горючего, Дж/кг; Wo - массовая скорость окисления, кг/(м3с); ρ - плотность, кг/м3; Сf - безразмерная концентрация паров горючего; Сg - безразмерная концентрация инертного газа; Сo - безразмерная концентрация паров окислителя; D - коэффициент диффузии, м2/c; Wc - массовая скорость кристаллизации материала частицы, кг/(м2с); Qc - тепловой эффект кристаллизации материала частицы, Дж/кг; Wm - массовая скорость плавления связки «горючее - окислитель», кг/(м2с); Qm - тепловой эффект плавления системы «горючее - окислитель», Дж/кг; λ - теплопроводность, Вт/(мК); Qef - тепловой эффект испарения горючего, Дж/кг; Qeo - тепловой эффект испарения окислителя, Дж/кг; Wef - массовая скорость испарения горючего, кг/(м2с); Weo - массовая скорость испарения окислителя, кг/(м2с); индексы: 0 - начальный момент времени; 1 - парогазовая смесь; 2 - частица; 3 - топливо; 12 - пары горючего; 13 - пары окислителя.

Математическая постановка задачи зажигания жидкого конденсированного вещества представлена в [3].

Для решения системы нелинейных нестационарных дифференциальных уравнений в частных производных (1)–(7), а также системы уравнений, описывающей процессы тепломассопереноса при зажигании жидкого топлива, с соответствующими начальными и граничными условиями применен метод конечных разностей. Локально-одномерный метод и метод переменных направлений использованы для решения разностных аналогов дифференциальных уравнений по схеме, разработанной для решения задач сопряженной естественной и смешанной конвекции. Метод итераций применен для решения одномерных нелинейных уравнений. Система одномерных разностных уравнений решена методом прогонки с использованием неявной четырехточечной разностной схемы. Для повышения точности решения устанавливалось не менее 400 узлов разностной сетки по каждой из координат и использовался неравномерный шаг по времени 10-9÷10-6 с.

Для оценки достоверности результатов численного моделирования выполнялась проверка консервативности используемых разностных схем (аналогично [3, 5] оценивалась погрешность по балансу энергии в расчетной области).

Результаты исследования и обсуждение

Численные исследования процесса зажигания в рассматриваемых системах (рис. 1) выполнены при следующих значениях параметров [1, 6, 7]: начальная температура гелеобразного топлива и окружающего инертного газа T0=90 К; начальные температуры жидкого топлива и воздуха T0=300 К; начальная температура стальной частицы Tp, К=1200÷1700 К; параметры химического реагирования паров гидразина и сжиженного кислорода (тепловой эффект Qо=14.644 МДж/кг, энергия активации 121.3 кДж/моль, предэкспонент k0=2.25·109c-1); тепловой эффект плавления топлива Qm=395 кДж/кг; температура плавления топлива Tm=274 К; тепловой эффект испарения гидразина Qef=1390 кДж/кг; тепловой эффект испарения сжиженного кислорода Qeo=2100 кДж/кг; параметры химического реагирования паров керосина с кислородом воздуха (тепловой эффект Qо=42 МДж/кг; энергия активации Е=193 кДж/моль, предэкспонент k0=9·108c-1); тепловой эффект испарения керосина Qe=25 кДж/кг; температура кристаллизации материала стальной частицы Tc=1500 К; тепловой эффект кристаллизации Qc=205 кДж/кг; размеры частицы при зажигании гелеобразного топлива Rp=Zp=0.5÷5 мм; размер частицы при зажигании жидкого топлива Rp=Zp=0,15 мм; толщина пленки топлива Zc=5 мм; размеры области решения rL=zL=20 мм. Теплофизические характеристики взаимодействующих веществ принимались согласно [1, 6, 7].

Выполненные численные исследования процессов тепломассопереноса, фазовых переходов и химического реагирования при зажигании типичной гелеобразной топливной композиции «гидразин – сжиженный кислород» разогретой стальной частицей в рассматриваемой системе (рис. 1) позволили установить ряд макроскопических закономерностей.

а б

Рис. 2. Зависимость времени задержки зажигания от температуры металлической частицы Tp: для гелеобразного топлива при Rp=Zp=3 мм, Zc=5.5 мм(а); для жидкого топлива при Rp=Zp=0.15(б)

В частности, установлено, что предельные значения параметров, определяющих теплосодержание частицы (температура, размеры), при которых возможно зажигание гелеобразного топлива (рис. 2, а), существенно превышают аналогичные параметры для систем жидкими конденсированными веществами (рис. 2, б). Так, например, для рассматриваемого топлива «гидразин – сжиженный кислород» минимальные значения температуры стальной частицы, при которой происходит зажигание, составляют 1050 К при Rp=Zp=3 мм (рис. 2, а). Вследствие специфики эндотермических фазовых переходов (плавление и испарение), протекающих в приповерхностном слое гелеобразного топлива, меньше энергии, аккумулированной в частице, сохраняется для прогрева смеси продуктов парообразования окислителя и горючего. При температурах менее 1000 К источники нагрева достаточно интенсивно остывают, а реакция окисления соответственно не ускоряется. Для типичных жидких топлив (керосин) условия зажигания при идентичных внешних условиях реализуются и при Tp=950 К [2, 4, 9].

Также установлено, что в отличие от жидких топлив при нагреве приповерхностного слоя гелеобразного конденсированного вещества источником ограниченной энергоемкости зона ведущей реакции окисления формируется в малой окрестности основания частицы и границы вдува продуктов парообразования. Это также обусловлено значительным расходованием энергии источника нагрева на эндотермические фазовые переходы (плавление, испарение). Рост температуры парогазовой смеси вблизи основания частицы (рис. 3, а) можно объяснить тепловыделением при ускорении реакции окисления.

а б

Рис. 3. Изотермы в момент воспламенения: гелеобразного топлива (τd=0.46 мс) при Tp=1050 К, Rp=Zp=3 мм (а); жидкого топлива (τd=0.915мс) при Tp=1000 К,Rp=Zp=3 мм (б)

Выявлено, что при зажигании керосина зона воспламенения может располагаться в газовой области над частицей (первый режим (рис. 3, б)), вблизи боковой грани частично погруженного в топливо источника нагрева (второй режим), в паровом зазоре между частицей и жидкостью (третий режим) [3]. Установлено, что ни при каких условиях зажигание не происходит в паровом зазоре под частицей. Выявленная закономерность, очевидно, обусловлена недостаточным содержанием в этой области окислителя и существенным поглощением энергии фазового перехода при испарении жидкого горючего вещества.

Выводы

  1. Установлено, что при зажигании гелеобразного топлива одиночной нагретой частицей малых размеров значения времён задержки зажигания ниже по сравнению с жидким топливом. При этом предельные значения основных параметров (температура, размеры) источника ограниченной энергоемкости выше.
  2. Зона ведущей реакции окисления продуктов испарения горючего формируется в малой окрестности поверхности контакта гелеобразного топлива с частицей. Варьирование значений основных параметров источника нагрева – температуры и размеров – не приводит к изменению положения зоны реакции окисления в отличие от жидких топлив, при зажигании которых выявлены три режима зажигания с различной локализацией зоны воспламенения.

Рецензенты:

Ханефт А.В., д.ф-м.н., профессор, Кемеровский государственный университет, г. Кемерово.

Мамонтов Г.Я., д.ф-м.н., профессор, Томский государственный архитектурно-строительный университет, г. Томск.


Библиографическая ссылка

Стрижак П.А., Глушков Д.О., Вершинина К.Ю. ЧИСЛЕННЫЙ АНАЛИЗ ИНТЕГРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК И МЕХАНИЗМОВ ЗАЖИГАНИЯ ГЕЛЕОБРАЗНЫХ И ЖИДКИХ КОНДЕНСИРОВАННЫХ ВЕЩЕСТВ // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 3. ;
URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=13601 (дата обращения: 25.10.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074