ИССЛЕДОВАНИЕ АВТОМОДЕЛЬНОСТИ ПРИ ТУРБУЛЕНТНОМ ГОРЕНИИ ГАЗОВОГО ФАКЕЛА МЕТАНА В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ

ИССЛЕДОВАНИЕ АВТОМОДЕЛЬНОСТИ ПРИ ТУРБУЛЕНТНОМ ГОРЕНИИ ГАЗОВОГО ФАКЕЛА МЕТАНА В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ

Научная статья

 Аскарова А.С.¹, Болегенова С.А.², Бекмухамет А.³, Максимов В.Ю.⁴, Оспанова Ш.С.⁵, Габитова З.Г.⁶, Ергалиева А.Б.⁷

^{1, 2,3,4,5,6,7} Казахский Национальный Университет имени аль-Фараби, Алматы, Казахстан

Аннотация

Цель данного исследования – решение задачи о диффузионном горении турбулентной струи метана, распространяющейся вдоль оси прямоугольного канала в спутном потоке окислителя.

Ключевые слова: метан, диффузионное горение, автомодельность.

Key words: methane, diffusion burning, selfsimilarity.

Горение газового топлива происходит путем распространения пламени в потоке его смеси с окислителем, в  частности воздухом, и продуктами сгорания. Пламя представляет собой тонкую зону, в которой происходит химическая реакция горения и которая отделяет продукты сгорания от свежей смеси. В каждый момент времени в результате передачи теплоты от фронта пламени происходит воспламенение прилегающих слоев газа, что и воспринемается как распространение пламени. Нагреву способствует также диффузия между продуктами сгорания и свежей газовоздушной смесью [1].

При формулировке математической модели были использованы следующие предположения и допущения:

- Течение является стационарным и двумерным, т.е. u(x,y), v(x,y);

- Течение является сжимаемым, т.е. ρ≠const. При этом предполагается, что для определения плотности можно использовать уравнение состояния идеального газа:

здесь m_i – масса i-той компоненты, М_i – молярная масса  i-той компоненты.

- В качестве окислителя используется воздух, при этом считается, что он  состоит только из кислорода (23,2%) и азота (76,8%). Азот присутствует в качестве разбавителя и в реакции не участвует;

- Обобщенную реакцию горения метана можно записать следующим уравнением:

CH₄ + 2O₂ + N₂ = CO₂ + 2H₂O + N₂,                                                         (2)

здесь метан (CH₄) -топливо, кислород (O₂)- окислитель, углекислый газ (CO₂) и вода (H₂O) - продукты реакции, азот (N₂) - инертный разбавитель;

- Удельные теплоемкости всех компонент смеси равны и не зависят от температуры;

- Пренебрежимо малое влияние потерь тепла на излучение;

- Коэффициенты диффузии всех компонент равны между собой и равны коэффициенту температуропроводности, т.е. Le=1.

С учетом сделанных предположений и допущений, система уравнений для описания осесимметричного струйного турбулентного реагирующего течения имеет следующий вид:

Было исследовано влияние горения на автомодельность течения в струе. Численное решение получено с учетом и без учета подъемной силы. Была решена задача о горении свободной турбулентной струи метана в воздухе. Результаты расчета для реагирующей струи сравниваются с инертной струей метана в воздухе для аналогичных начальных параметров (U₀=87 м/с, r₀=0,01 м, T₀=300 K).

На рисунке 1 сравниваются законы падения скорости на оси реагирующей и инертной струй.

 

Схема течения

При горении начальный участок струи гораздо длиннее и соответственно вся струя более дальнобойная, чем без горения. Чтобы сравнить законы падения в основном участке, на рисунке 2 приведены те же результаты в логарифмических координатах.

Рисунок 1 – Падение скорости на оси струи	Рисунок 2 – Падение скорости на оси струи

Из анализа этого рисунка можно сделать вывод о том, что закон падения максимальной скорости в основном участке инертной струи является степенным, а в реагирующей струе это не так, так как зависимость u(x) в логарифмических координатах представляет собой не прямую, а кривую [2].

На рисунке 3 приведены профили температуры в различных сечениях реагирующей струи. Видно, что распределение температуры при горении  качественно отличается от полей температуры без горения. В данном случае все профили имеют максимум в области фронта пламени. В отсутствие горения профили температуры аналогичны профилям скорости и являются автомодельными в основном участке струи.

Рисунок 3 – Профили температуры в различных сечениях реагирующей струи

На основе анализа результатов проведенного исследования процессов тепломассопереноса при турбулентном горении газообразного топлива (метан) можно сделать следующие выводы:

- Температура во фронте пламени резко возрастает до своего максимального значения и затем остается постоянной на всем протяжении факела.

- Закон падения максимальной скорости в основном участке инертной струи является степенным, а в реагирующей струе отличается от степенного.

- Начальный участок инертной струи является автомодельным. В реагирующей струе автомодельность отсутствует даже на больших расстояниях от сопла, что соответствует выводу об отклонении закона падения скорости от степенного. Автомодельность профилей скорости в реагирующей турбулентной струе метана устанавливается только после того, как горение прекратится.

- Автомодельность профилей температуры в турбулентной струе при наличии горения, в отличие от инертной струи, отсутствует.

Список литературы / References

1. А.С.Аскарова, С.А.Болегенова, И.В.Локтионова Обобщение коэффициентов поверхностного трения при горении метана в плоском канале// Труды 4-й Российской национальной конференции по теплообмену, 23-27 октября 2006, Москва, т.3, с. 183-186.

2. Аскарова А.С., Болегенова С.А., Лаврищева Е.И., Локтионова И.В. Влияние начального уровня турбулентности на горение струи метана // Вестник КазНУ,  серия физическая, 2003. - №.1(14). - C.18-24.

Опубликовать статью