Горение ультра-бедных составов водородно-воздушных смесей на больших пространственных масштабах
Оглавление
Введение
Глава 1. Математическая модель и вычислительный алгоритм,
описывающий динамику горения в низкоактивных газовых смесях
1.1 Математическая модель
1.2 Вычислительный алгоритм
Глава 2 Математическое моделирование горения ультра-бедных
составов водородно-воздушных смесей на больших пространственных
масштабах
2.1 Литературный обзор
2.2 Постановка вычислительного эксперимента
2.3 Валидация и верификация математической модели и ее компьютерной
реализации. Определение нормальной скорости горения
2.4 Особенности динамики распространения ультра-бедного водородно-
воздушного пламени
2.5 Динамика очага горения, при наличии вертикальной стенки
2.6 Постановка эксперимента по горению ультра-бедной водородно-
воздушной смеси с содержанием водорода 6%
2.6 Сравнительный анализ расчетных и экспериментальных данных
2.7 Основные результаты
Глава 3 Пределы горения ультра-бедных водородно-воздушных смесей
3.1 Литературный обзор
3.2 Нижний концентрационный предел горения водородно-воздушных
смесей
3.3 Основные результаты
Глава 4 Динамика газовых пузырьков в приближении
несмешивающихся газов, как модель эволюции ультра-бедного пламени
в условиях земной гравитации
4.1 Обзор литературных источников
4.2 Постановка вычислительного эксперимента
4.3 Анализ горения водородно-воздушных смесей с учетом аналогии
всплывающих газовых пузырьков
4.4 Основные результаты
Заключение
Список литературы
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены цели и
направления исследований.
В первой главе обоснован выбор математической модели и вычислительного
алгоритма, используемых для моделирования процессов горения в ультра-бедных водородно-
воздушных смесях. Детальное исследование процессов, сопровождающих горение ультра-
бедных водородно-воздушных смесей в неограниченном пространстве, указывает на
относительно малую интенсивность формирующихся в ходе развития процесса течений. В
таком случае целесообразно решать задачу о динамике среды в приближении малой
сжимаемости (малых чисел Маха).
Для воспроизведения особенностей развития динамических процессов в реагирующей
среде в системе нестационарных уравнений газодинамики [I] учтены вязкость [1,2],
теплопроводность [1,2], многокомпонентная диффузия [2] и выделение тепла за счет
химических реакций. В работе использовалась современная кинетическая схема горения
водородно-воздушной смеси, включающая 21 обратимую элементарную реакцию между 8
компонентами H2, O2, H2O, H, O, OH, HO2, H2O2 [3]. Система уравнений газодинамики в
совокупности с табличными уравнениями состояния среды позволили получить решения,
содержащиевсебеинформациюобовсехпроцессах,сопутствующихявлению
распространения горения в реагирующей газовой смеси [VI].
В математическую модель не включались модели подсеточной турбулентности, так как
размер вычислительной ячейки позволял разрешать мелкие вихри. Решение системы
уравнений выполнялось с помощью алгоритма, предложенного в работе [4].
Вторая глава посвящена исследованию особенностей динамики горения ультра-
бедного водородно-воздушного пламени. Рассмотрен процесс горения водородно-воздушной
смеси с объемным содержанием водорода 6% внутри двухмерной расчетной области 500
мм×300 мм с жесткой непроницаемой стенкой снизу и открытыми граничными условиями
сверху и по бокам, моделирующими развитие процесса в неограниченном пространстве, а
также в области, ограниченной жесткими непроницаемыми стенками снизу и слева [I]. Размер
расчетной ячейки декартовой сетки составлял 0.2 мм, чего оказывается достаточно для
корректного воспроизведения характерных масштабов, на которых развивается химическая
реакция горения ультра-бедной водородно-воздушной смеси.
На рисунке 1 представлены стадии эволюции шарика пламени в ультра-бедной смеси.
Сразу после воспламенения, образуется сферический очаг горения в области воспламенения.
На этой ранней стадии процесс определяется в большей степени диффузией водорода из
окружающей среды в область реакции, таким образом, очаг горения представляет собой
классический шарик пламени, наблюдаемый в условиях микрогравитации [5]. В соответствии
с теоретическим анализом подобных задач, устойчивость пламени на начальных стадиях
главным образом поддерживается за счет потерь тепла на стенки. В процессе горения очаг
расширяется до критических размеров, и основную роль начинает играть подъемная сила,
определяющая всплытие горячих продуктов горения в атмосфере непрореагировавшей смеси.
С этого момента основным механизмом, влияющим на дальнейшую динамику очага горения,
является конвективное всплытие очага в гравитационном поле (рис. 1а).
Рисунок 1. Эволюция структуры
ультра-бедноговодородно-воздушного
пламени. а – 100 мс, б – 350 мс, в – 500
мс, г – 800 мс, д – 950 мс. Цветом
показано поле температуры [I].
На рисунке 2 представлена зависимость радиуса кривизны и скорости всплытия
основного очага горения с течением времени. Анализ этой зависимости показал, что начальная
стадия всплытия шарика пламени характеризуется постоянным значением ускорения ведущей
точки очага горения (наивысшая точка на поверхности очаге горения).
Рисунок 2. Зависимость радиуса кривизны
и скорости всплытия основного очага
горениястечениемвремени.
Теоретическоезначениескорости
всплытия газового пузыря в ограниченном
пространстве38,9см/c(отмечено
пунктиром) при радиусе кривизны 62 мм
[I].
Вследствие наличия вихревых потоков, пламя растягивается, что приводит к
формированию характерной шапкообразной формы очага горения (рис. 1б). Подобно
всплывающему пузырю с малым значением поверхностного натяжения, шапкообразная
структура очага не является устойчивой. Боковая поверхность очага горения подвержена
воздействию сдвиговых течений, что ведет к её локальному растяжению и разрыву, в
результате этого от основного очага отрываются два дополнительных вторичных очага
горения (рис. 1 б,в). По сравнению с динамикой газовых пузырей в жидкости, где пузыри не
меняются в размерах, дополнительные очаги горения ультра-бедной водородно-воздушной
смеси представляют собою активные зоны горения, становясь крупнее при потреблении
свежей смеси [I].
После отрыва дополнительных очагов горения, наблюдается снижение темпа
ускорения основного очага горения (рис.2). Стадия линейного роста, которая наблюдалась на
ранней стадии процесса и до 400 мс, сменяется нелинейной стадией, которая характеризуется
следующими друг за другом отрывами вторичных очагов.
Анализ представленных результатов показывает, что после первого отрыва очага
радиус кривизны становится постоянным для короткого периода времени, приводя к
временному замедлению роста скорости (рис.2). После отрыва, очаг горения представляет
собой линзообразный шарик пламени, который развивается аналогично шарику пламени на
начальной стадии.
Согласно рисунку 2 вскоре после второго отрыва наблюдается стагнация скорости
пламени, скорость всплытия очага горения при этом больше не зависит от последующих
отрывов отделенных горящих очагов с поверхности основного и от взаимодействия с ними. К
этому времени, основной очаг горения принимает линзообразную форму с почти постоянным
радиусом кривизны вблизи оси симметрии.
Качественные и количественные оценки, полученные численно, были сопоставлены с
экспериментальными данными, полученными в лаборатории физической газовой динамики
ОИВТ РАН. Эксперименты по развитию очагов ультра-бедного горения в больших объемах
были проведены на двух экспериментальных установках: лабораторном стенде и в
цилиндрической стальной камере ВБК-2 [II,III].
На рисунке 3 и 4 представлены результаты измерения скорости всплытия и радиуса
кривизны очага с течением времени. Сравнение результатов эксперимента и численного
моделирования показывает качественное совпадение характерных особенностей эволюции
очага горения в ультра-бедной водородно-воздушной смеси. Однако, существуют некоторые
количественные различия в динамике восходящего шарика пламени. Разница между
значениями скорости подъема, полученными в эксперименте и расчете, связана с тем, что
математическое моделирование проводилось в двухмерной плоской постановке.
По причине того, что плотность газа претерпевает скачок на поверхности очага,
движение шарика пламени может быть качественно описано, с помощью теории
всплывающего газового пузыря в ограниченном пространстве. Теоретический анализ
динамики замкнутых пузырей показал, что переходная динамика замкнутого пузырька может
бытьописаначерезсоотношениедляскоростиподъемапузырька
()
u = Fr gR tanh δ g R0 t , где Fr – число Фруда, определяющее отношение сил инерции
к силе тяжести, R0 – начальный радиус пузыря, δ – размерность системы (δ=2 для двухмерных
пузырей, δ=3 для трехмерных пузырей) [6]. Поскольку сила инерции пропорциональна
площади поверхности пузырька, а сила плавучести пропорциональна объему пузырька, число
δ −1
Фруда можно оценить из геометрических соображений как Fr =. Таким образом, для
δ
трехмерных пузырьков с одинаковым радиусом кривизны конечная скорость всплытия
больше в Fr3 D Fr2 D = 4 / 3 раз. При горении ультра-бедной смеси установившийся радиус
кривизны очага горения в двухмерной и трехмерной постановках также оказывается
различным. Таким образом, конечная скорость всплытия в реальном эксперименте больше в
Fr3D Rt 3 D( Fr
2D)
Rt 2 D ≈ 1.5 раза.
Рисунок3.Зависимостьскорости
верхнейточкиочагагорения,
измеренная в эксперименте (красная
сплошная линия) и полученная из
расчета (зеленая сплошная линия).
Пунктирныелиниисоответствуют
законуаппроксимациизависимости
скорости от времени, применимому к
переходной стадии подъема газового пузыря в жидкости [III].
Временная зависимость радиуса кривизны поверхности пламени вблизи высшей
точки представлена на рисунке 4. Немонотонное поведение радиуса кривизны пламени
связано с явлениями разрушения очага горения, которые приводят к временному замедлению
роста радиуса кривизны.
Рисунок 4. Изменение во времени
радиуса кривизны очага горения
вблизи верхней точки очага [III].
В третьей главе представлены результаты исследования пределов горения ультра-
бедного водородно-воздушного пламени [V]. Для количественного определения пределов
существования горения в водородно-воздушных смесях были проведены вычислительные
эксперименты для смесей с объемным содержанием водорода 3-10 %. В рамках проведенного
исследования показано, что устойчивость очага горения, развивающегося в ультра-бедных
водородно-воздушных смесях, определяет широкий спектр физических факторов. Горение в
форме стационарного сферического шарика пламени, в условиях микрогравитации, может
быть устойчивым даже в смесях с меньшим содержанием водорода, чем нижний
концентрационныйпределдлясвободнораспространяющегосяпламени.Согласно
полученным результатам, устойчивое ультра-бедное горение смесей с содержанием водорода
менее 9 % по объему, может быть получено в условиях земной гравитации, где устойчивость
очаговгорения,главнымобразом,определяетсяконвективнымдвижением,
устанавливающимся уже на начальной стадии развития процесса. Конвективные потоки
газовой смеси в форме вихревых структур взаимодействуют с очагом горения и определяют
растяжение поверхности пламени. Этот эффект становится причиной локального разрыва
поверхности пламени и дальнейшего его погасания. В результате, концентрационные пределы
устойчивого горения в условиях микрогравитации – 3,45±0,05%, в условиях земной
гравитации 5,25±0,25 %, что согласуется с результатами экспериментов, приведенными в [7-
9].
В четвертой главе построена классификация возможных путей развития горения
ультра-бедных водородно-воздушных смесей [IV]. Результаты, представленные в работе,
показали, что даже небольшое изменение (менее 1 %) концентрации водорода в смеси,
приводит к существенному различию в структурах ультра-бедного пламени. Поэтому, для
построения диаграммы режимов развития очагов ультра-бедного горения была решена
вспомогательная задача для инертной среды о всплытии легкого газа в атмосфере тяжелого.
На основе результатов, полученных для химически неактивных газовых пузырей, построена
диаграмма на плоскости безразмерных чисел Рейнольдса и Фруда, а также выделена область
устойчивого распространения горения. Траектории развития очагов горения на плоскости
чисел Рейнольдса и Фруда отмечены стрелками на рисунке 5, и эти траектории не являются
линейными. Анализ диаграммы показал, что траектории пламени стремятся к двум пределам.
Первый предел соответствует низкому значению числа Фруда, Fr<1 и высокому значению
числа Рейнольдса. Второй предел характеризуется высоким значением числа Фруда Fr>1 и
низким значением числа Рейнольдса.
Низкое значение числа Фруда Fr<1 характерно для устойчивых режимов развития
очагов пламени, невосприимчивых к развитию неустойчивости Рэлея-Тейлора в условиях
земной гравитации. Было показано, что многоочаговая структура пламени водородно-
воздушной смеси с содержанием водорода 5,5% и шапкообразный очаг с содержанием
водорода 6,0% не подвержены влиянию неустойчивости Рэлея-Тейлора. Для такого типа
ультра-бедного пламени эффективная площадь горения увеличивается вместе со скоростью
всплытия, а скорость всплытия увеличивается медленнее или с тем же приращением, что и
квадрат площади продуктов сгорания. С другой стороны, второй предел, характеризующийся
высоким Fr и низким Re, относится к пламенам в более бедных составах, характеризующихся
структурами с небольшими очагами (5,0% H2-воздух и 4,5% H2-воздух с R0 = 2 мм). В таком
пламени конвективные потоки вызывают сильный эффект гашения горения. При этом
наблюдается уменьшение эффективной площади пламени после каждого случая разрушения
поверхности очага горения. Таким образом, эквивалентный радиус пламени быстро
уменьшается, а число Фруда увеличивается. Интересно отметить, что процесс горения в
водородно-воздушной смеси с содержанием водорода 5,5% имеет петлю на траектории на
плоскости чисел Рейнольдса и Фруда. Траектория входит в область с возможностью разрыва
пламени из-за неустойчивости Рэлея-Тейлора. Такое поведение отражает формирование
многоочаговой структуры на начальных этапах развития пламени, во время которых эффект
конвективного гашения проявляется наиболее сильно, а эффективная площадь горения
существенно уменьшается. После первого разрыва поверхности очага он восстанавливается и
продолжает распространяться. Следует отметить, что скорость подъема очага горения
определяется степенью расширения продуктов горения, которая практически постоянна в
рассматриваемом диапазоне содержания водорода. Таким образом, именно скорость горения
и способность противостоять конвективному охлаждению во время растяжения и разрушения
очага определяют различие траекторий в плоскости чисел Re и Fr для разных смесей. Этим
объясняется смещение предела воспламенения с увеличением начального радиуса зоны
воспламенения R0,b.
Рисунок 27. Диаграмма в координатах Re-Fr. а) Линейные сегменты соответствуют
расчетам химически неактивных газовых пузырьков. Линейные аппроксимации этих
сегментов делят плоскость на пять областей. Начальный радиус пузыря определяет
наклон линейного участка, коэффициент расширения θb определяет начальную точку и
длину линейного участка. Стрелки указывают направление увеличения θb. Линейные
сегменты отмечены цветом: белый θb=1.5, желтый θb =2.0, синий θb =3.0, красный θb =4.0.
б) Траектории распространения пламени на диаграмме Re-Fr для водородно-воздушных
смесей с различным содержанием водорода: зеленая — 6%, R0 = 1 мм, черная —5.5%, R0
= 1 мм, оранжевая — 4.5%, R0 = 2 мм, синяя — 5.0%, R0 = 1 мм. Структуры газовых
пузырьков различны радиусов R0,b =1-4 мм изображены снаружи диаграммы [IV].
В заключении приведены основные результаты диссертации:
1. Показано, что ведущую роль в динамике пламени в ультра-бедных водородно-
воздушных смесях играют газодинамические течения, сформированные при всплытии очага
горения в гравитационном поле. Из-за наличия вихревых потоков, фронт пламени
растягивается и разрушается на более мелкие очаги. Первичный разрыв фронта пламени в
наивысшей точке фронта, расположенной на оси симметрии всегда приводит к гашению
пламени (в водородно-воздушных смесях с содержанием водорода 5% и менее). В более
активных смесях с содержанием водорода 5,5 % и более первичный отрыв очагов горения
осуществляется с боковой поверхности пламени. Отделившиеся очаги здесь являются
активными зонами горения, поэтому наблюдается устойчивое горение в виде сложной
многоочаговой структуры пламени. Устойчивое горение, характеризуемое отрывом очагов
горения с боковой поверхности пламени, наблюдается для ультра-бедных смесей с
содержанием водорода 5.5 – 9.0%.
2. Продемонстрирован способ подавления образования вторичных очагов пламени и
снижения скорости всплытия очага горения, с помощью теплоотвода к стенкам.
3. Продемонстрировано хорошее согласие проведенных расчетов с экспериментальными
данными по динамике всплытия очага горения, его топологии.
4. Определены значения концентраций водорода в ультра-бедных водородно-воздушных
смесях на больших пространственных масштабах, при которых не наблюдается затухание
очагов горения. На основе математического моделирования в условиях микрогравитации
нижний концентрационный предел оценен как ≈ 3,45±0,05 %, а в условиях земной гравитации
- 5,25±0,25%. Базовым механизмом, определяющим критические условия горения, является
неустойчивость очагов ультра-бедного горения по отношению к формируемому вихревому
течению, разрушающему целостность очага в наивысшей точке фронта пламени,
расположенной на оси симметрии. Фронт пламени под действием вихревого течения
разрушается в своей наивысшей точке на мелкие очаги, которые с течением времени гаснут.
5. Проведена классификация режимов устойчивого и неустойчивого горения ультра-
бедных водородно-воздушных смесей на основе аналогии «пламя-пузырек» и на основе
совместного анализа динамики газовых пузырьков в приближении несмешивающихся газов и
динамики очагов ультра-бедного горения. Выявлено два основных сценария развития горения
в ультра-бедных водородно-воздушных смесях в зависимости от содержания водорода в
смеси.
Актуальность темы исследования
На сегодняшний день темы, связанные с особенностями развития
горения в водородно-воздушных смесях являются актуальными, с одной
стороны, по причине востребованности водородосодержащих газовых смесей
в качестве источника энергии для различных отраслей промышленности и
энергетики, а с другой стороны, в виду связанных с эксплуатацией водорода
вопросов пожаро- и взрывобезопасности. Согласно современной концепции
развития альтернативной энергетики, основанной на признанной
необходимости переоценки существующей зависимости от ископаемого
топлива [1-5], водород является одним из наиболее перспективных топлив в
виду следующих особенностей: водород самый легкий элемент с самой
высокой теплотворной способностью; водород является устойчивым и
нетоксичным топливом, и в отличие от нефтепродуктов, природного газа или
угля, он является экологически чистым энергоносителем, так как
единственным продуктом его экзотермической реакции с кислородом
является вода.
Однако, учитывая высокую химическую активность водорода,
проектирование и эксплуатация объектов, на которых возможны случаи
выброса и аккумуляции водорода, требует тщательного анализа возможных
сценариев развития аварийных ситуаций и разработки средств эффективного
подавления взрыва. В условиях эксплуатации реальных технических систем и
энергообъектов образование и взрыв стехиометрических газовых смесей
является довольно редким явлением. В большинстве случаев горючие газы
выделяются постепенно в результате декомпрессии топливных баков или
химического пути образования горючего компонента. В больших объемах,
характерных для реальных технических систем, требуется очень интенсивное
выделение и длительные периоды времени, чтобы горючий газ смешался с
атмосферой окислителя и образовал высокоактивную газовую смесь близкого
к стехиометрическому составу. В реальных условиях наличие вентиляции
также эффективно снижает количество горючего компонента в газовой смеси
внутри объема. Более того, из-за естественной конвекции имеет место
стратификация горючего компонента, выражаемой в формировании
вертикального градиента концентрации. Так как водород легче атмосферного
воздуха, то состав водородно-воздушной смеси у потолка оказывается богаче,
чем у пола.
Аналогичный сценарий может наблюдаться при развитии аварийной
ситуации на АЭС, в ходе которой водород, генерируемый в подверженной
разрушению реакторной зоне, может накапливаться под куполом
контайнмента [6]. При этом локальное содержание водорода в атмосфере
вблизи нижней части реакторной зоны может соответствовать ультра-бедному
составу, близкому к нижнему пределу воспламенения смеси. Развитие горения
в такой среде протекает без значительных тепловых и динамических нагрузок
на оболочку или на оборудование внутри нее. Тем не менее, нестационарное
развитие очага горения и его конвективный перенос в условиях земной
гравитации может стать причиной инициирования интенсивного горения в
верхней части ограниченного объема, заполненной более богатой и химически
активной смесью. Таким образом, проблема точного определения
концентрационных пределов воспламеняемости обедненной смеси и развития
пламени в газовых смесях, близких к предельным, имеет первостепенное
значение для анализа безопасности реальных объектов. Все эти соображения
следует учитывать при разработке надежных систем пожаро- и
взрывобезопасности, а описанные физические процессы и особенности их
развития требуют более детального изучения.
Степень разработанности темы исследования
С развитием методов численного моделирования газодинамических
процессов стало возможным решение задач горения водородно-воздушных
газовых смесей в широком диапазоне концентраций водорода, включая
ультра-бедные составы, и исследовать влияние состава на развитие процессов
воспламенения и горения. Проблема оценки концентрационных пределов
воспламенения и горения обедненных смесей, являющаяся одной из
фундаментальных проблем горения, была тщательно изучена
экспериментально, и в настоящее время накоплен большой объем
экспериментальных данных о предельных значениях концентрации в
зависимости от различных условий, включая добавки инертных и
ингибирующих компонентов, а также изменение термодинамического
состояния смеси и ее турбулизацию. В зависимости от концентрации водорода
водородно-воздушные смеси классифицируются на ультра-бедные (от 4-6% до
9-10 % водорода в водородно-воздушной смеси), бедные (менее 15 %), около
стехиометрические (менее 29,6%), стехиометрическая (29,6%) и богатые
(более 29,6%). Исследования режимов горения ультра-бедных и бедных
водородно-воздушных смесей методами математического моделирования
проведены в работах [7-8]. Ввиду слабой активности ультра-бедных и бедных
водородно-воздушных смесей, особое внимание уделяется вопросам
устойчивости пламени. Впервые теоретический анализ структуры пламени и
механизмов поддержания горения в ультра-бедных горючих газовых смесях
был проведен Я. Б. Зельдовичем в работе [9]. В частности, в работе
предсказано, что горение ультра-бедных газовых смесей возможно в форме
сферического очага горения, основным механизмом поддержания горения в
котором является диффузионный перенос недостающего компонента смеси в
зону реакции. Однако, теоретический анализ [9] показал также, что структура
сферических диффузионных пламен внутренне неустойчива из-за
термодиффузионной неустойчивости. Тем не менее, дальнейшие
исследования показали, что возможна стабилизация таких очагов горения в
условиях гравитации [10, 11]. В условиях микрогравитации, устойчивое
ультра-бедное горение также наблюдается благодаря наличию тепловых
потерь на излучение [12, 13] или тепловых потерь на холодную стенку [14].
Влияние термодиффузионной неустойчивости на режимы распространения
пламени ультра-бедных газовых смесей, в условиях микрогравитации
проанализировано в работе [13]. В работах [15, 16] исследовано влияние
конвективной неустойчивости на фронт пламени при восходящем
распространении пламени. При этом неустойчивость Ландау-Дарье [17-19] не
проявляется по причине низкого значения скорости горения ультра-бедных и
бедных смесей.
Сопоставление экспериментальных и расчетных данных для
количественной оценки динамики горения бедных смесей H2-O2-N2 проведено
в работах [11,20]. В экспериментальных работах [21-24] наблюдалась
начальная стадия распространения горения от источника энерговыделения и
образование характерной шапкообразной (колпачковой, cap-shaped)
структуры очага горения. В работах [25-27], посвященных горению метано-
водородных и водородных смесей, горение рассматривалось в
цилиндрической горелке, а в работах [21, 23, 28] исследование динамики
горения рассматривалось в трубах. В экспериментальных работах [23,29]
исследовались смеси с концентрацией, близкой к нижнему
концентрационному пределу. Бабкин и его коллеги наблюдали восходящее
распространение горения в форме шариков пламени и более сложные
структуры очага горения в зависимости от концентрации смеси и от диаметра
трубы. В экспериментальной работе [30] исследуется горение водородно-
воздушной смеси с содержанием водорода 5 % − 13% в узких каналах (hele-
shaw cells). Авторы исследовали влияние высоты канала на скорость пламени
и полноту сгорания смеси. В работе [31] горение бедных водородно-
воздушных смесей рассматривалось в полузакрытых каналах различной
высоты. Было показано, что при φ≤0,26 основным механизмом,
определяющим структуру фронта пламени, является неустойчивость Рэлея-
Тейлора. Также авторы отметили, что давление, зарегистрированное в канале,
остается постоянным в течение всего процесса горения.
Несмотря на широкое исследование вопросов горения околопредельных
ультра-бедных составов, динамика околопредельного пламени и физические
механизмы, определяющие развитие горения в реальных условиях, на
крупных пространственных масштабах с учетом земной гравитации, все еще
плохо изучены.
Цели и задачи работы
Основной целью диссертации является выявление методами детального
численного моделирования механизмов, определяющих распространение
горения в ультра-бедных водородно-воздушных газовых смесях. Для
достижения цели исследования в работе решались следующие задачи:
1. Выбор математической модели и вычислительного алгоритма для
оптимального решения методами численного моделирования задач о
развитии горения в ультра-бедных водородно-воздушных смесях.
2. Двухмерное детальное моделирование пламен, распространяющихся под
действием гравитационного поля в водородно-воздушных смесях
обедненного состава.
3. Исследование влияния концентрации водорода в ультра-бедной
водородно-воздушной смеси на устойчивость пламени в условиях
земной гравитации и микрогравитации.
4. Сопоставление результатов численного моделирования с
экспериментальными данными, полученными в лаборатории
Физической газовой динамики ОИВТ РАН.
5. Двухмерное моделирование восходящего движения химически
неактивных легких газовых пузырьков в более тяжелом окружающем
газе для дополнительной интерпретации роли силы Архимеда и
конвективных течений в эволюции очагов горения.
Научная новизна работы
Проведено детальное моделирование процессов горения ультра-бедных
водородно-воздушных смесей в больших объемах в условиях земной
гравитации.
Определены основные физические механизмы, влияющие на
устойчивость и развитие процесса горения в рассмотренных постановках,
выявлена определяющая роль газодинамических течений.
Разработан подход к классификации различных режимов горения в
околопредельных смесях. На основе расчетов химически неактивных газовых
пузырьков получена диаграмма на плоскости безразмерных чисел Рейнольдса
и Фруда, позволяющая выделить области устойчивого и неустойчивого
режимов горения.
Теоретическая и практическая значимость работы определяется новыми
результатами в области теории горения и взрыва, которые могут быть
использованы для исследования задач пожаро- и взрывобезопасности
технических систем, использующих в качестве топлива смеси на основе
водорода. Предложенный подход к численному исследованию
газодинамических течений в приближении малой сжимаемости применим для
различных смесей, характеризуемых избытком или недостатком топлива,
развитие горения в которых сопровождается газодинамическими процессами
малой интенсивности.
Методология и методы исследования
Поставленные в рамках диссертации задачи решались методами
вычислительной газовой динамики, с использованием программного
комплекса «NRG», предназначенного для исследования процессов горения и
детонации, разработанного в лаборатории Вычислительной физики ОИВТ
РАН. Для решения поставленных задач в ходе диссертационной работы
программный код был модернизирован, с учетом специфики исследуемых
задач. За основу был взят хорошо зарекомендовавший себя вычислительный
алгоритм для решения задач динамики газов в приближении малой
сжимаемости.
Результаты математического моделирования сопоставлялись с
экспериментальными данными, полученными в лаборатории Физической
газовой динамики ОИВТ РАН.
Положения, выносимые на защиту
1. Результаты численного моделирования горения ультра-бедных
водородно-воздушных смесей в приближении малой сжимаемости.
2. Детальное описание процесса распространения горения в ультра-бедных
составах водородно-воздушных смесей в свободном пространстве, в
условиях земной гравитации.
3. Механизм развития неустойчивости очагов ультра-бедного горения
вблизи нижнего концентрационного предела, в условиях земной
гравитации.
4. Результаты количественного определения нижнего концентрационного
предела горения водородно-воздушной смеси в свободном пространстве
в условиях земной гравитации.
5. Классификация режимов горения, полученная на основе расчетов
химически неактивных газовых пузырьков, позволяющая выделить
область устойчивого горения ультра-бедных водородно-воздушных
смесей в свободном пространстве.
Степень достоверности и апробация результатов
Качественные и количественные оценки, полученные численно, были
сопоставлены с экспериментальными данными, полученными в лаборатории
Физической газовой динамики ОИВТ РАН, и дали хорошее согласие с
экспериментальными данными по динамике очага ультра-бедного горения на
крупных масштабах.
Расчеты ультра-бедного горения в условиях микрогравитации и оценка
нижнего концентрационного предела находятся в хорошем согласии с
известными экспериментальными и расчетно-теоретическими данными.
Количественная оценка нижнего концентрационного предела горения
водорода в воздухе находится в хорошем согласии с известными
экспериментальными данными.
Основные результаты диссертационной работы докладывались на
следующих научных конференциях: V Минский международный коллоквиум
по физике ударных волн, горения и детонации (Минск, Белоруссия, 2017),
XXIII- International Conference on Equations of State for Matter (Эльбрус, 2018),
8th International Symposium on Nonequilibrium Processes, Plasma, Combustion and
Atmospheric Phenomena NEPCAP 2018 (Сочи, 2018), XIX Школа молодых
ученых ИБРАЭ РАН (Москва, 2018), XXXIV International conference on
Interaction of Intense Energy Fluxes with Matter (Эльбрус, 2019), 27th
International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems
(Пекин, Китай, 2019), XV Всероссийский симпозиум по горению и взрыву
(Москва,2020).
Личный вклад автора
Автором диссертации лично выполнена разработка новой методики
расчета горения ультра-бедных составов в приближении малых чисел Маха,
проведены математическое моделирование и обработка расчетных данных.
Автор принимал активное участие в обсуждении полученных результатов, их
интерпретации и написании научных статей по теме исследования.
Публикации
Основные результаты квалификационной работы опубликованы в 11
печатных изданиях, 6 из которых в журналах, рекомендованных ВАК, 5 – в
сборниках и трудах конференций.
Публикации в журналах из перечня ВАК
I. Yakovenko, I.S. Large-scale flame structures in ultra-lean hydrogen-air
mixtures / Yakovenko I.S., Ivanov M.F., Kiverin A.D., Melnikova K.S. //
International Journal of Hydrogen Energy. — 2018. — Vol. 43. — P. 1894-1901.
II. Динамика очагов горения в ультра-бедных водородно-воздушных
смесях в крупных масштабах в условиях земной гравитации / Володин В.В.,
Голуб В.В., Киверин А.Д., Мельникова К.С., Микушкин А.Ю., Яковенко И.С.
// Горение и взрыв. — 2019. —№ 2(12). — С. 53-59.
III. Volodin, V.V. Large-scale dynamics of ultra-lean hydrogen-air flame
kernels in terrestrial gravity conditions / Volodin V.V., Golub V.V., Kiverin A.D.,
Melnikova K.S., Mikushkin A.Y., Yakovenko I.S. // Combustion science and
technology. — 2021. —№ 193(2). — P. 225-34.
IV. Yakovenko, I. Ultra-Lean Gaseous flames in terrestrial gravity
сonditions / Yakovenko I., Kiverin A., Melnikova K. // Fluids. — 2021. — Vol.
6(21). — 1058113. (ISSN 2311-5521).
V. Kiverin, A.D. On the structure and stability of ultra-lean flames / A. D.
Kiverin, I.S. Yakovenko, K. S. Melnikova // Journal of Physics: Conference series.
— 2019. — V. 1147. — 012048.
VI. Kiverin, A.D. Peculiarities of mathematical modeling of combustion of
hydrogen flames / A. D. Kiverin, K. S. Melnikova, K. O. Minaev, A.E.Smygalina,
I.S. Yakovenko // Journal of Physics: Conference series. — 2019. — V. 1348. —
012091.
Публикации в сборниках материалов и тезисов научных
конференций
ii.1 Иванов, М.Ф. Развитие горения в водородно-воздушных смесях
обедненного состава/ Иванов М.Ф., Киверин А.Д., Мельникова К.С., Яковенко
И.С. // Сборник докладов V Минский международный коллоквиум по физике
ударных волн, горения и детонации. — 2017. — C. 65-71.
ii.2 Yakovenko, I. Stability of ultra-lean hydrogen flames in terrestrial conditions” /
Yakovenko I., Melnikova K., Kiverin A. // Proceedings of 8th International
Symposium on Nonequilibrium Processes, Plasma, Combustion and Atmospheric
Phenomena. — 2019.
ii.3 Мельникова, К.С. Устойчивость ультра-бедных водородных пламен в
условиях земной гравитации / Мельникова К.С. // Сборник трудов XIX
научной школы молодых ученых ИБРАЭ РАН. — 2018. — С. 121-124.
ii.4 Volodin, V.V Ultra-lean hydrogen-air flame kernels large-scale dynamics in
terrestrial gravity conditions / Volodin V.V., Golub V.V., Kiverin A.D., Melnikova
K.S., Mikushkin A.Yu., Yakovenko I.S. // Proceedings of international colloquium
on the dynamics of explosions and reactive systems. — 2019.
ii.5 Володин, В.В. Динамика очагов горения в ультра-бедных водородно-
воздушных смесях в крупных масштабах в условиях земной гравитации /
Володин В.В., Голуб В.В., Киверин А.Д., Мельникова К.С., Микушкин А.Ю.,
Яковенко И.С. // Тезисы XV Всероссийского симпозиума по горению и
взрыву. — 2020. — Т.1. — С. 145-46.
Структура диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка
литературы. Диссертация содержит 109 страниц, 28 рисунков. Список
литературы включает 128 наименований.
В заключении сформулируем основные результаты диссертации:
1. Показано, что ведущую роль в динамике пламени в ультра-бедных
водородно-воздушных смесях играют газодинамические течения,
сформированные при всплытии очага горения в гравитационном поле. Из-за
наличия вихревых потоков, фронт пламени растягивается и разрушается на
более мелкие очаги. Первичный разрыв фронта пламени в наивысшей точке
фронта, расположенной на оси симметрии всегда приводит к гашению
пламени (в водородно-воздушных смесях с содержанием водорода 5% и
менее). В более активных смесях с содержанием водорода 5,5 % и более
первичный отрыв очагов горения осуществляется с боковой поверхности
пламени. Отделившиеся очаги здесь являются активными зонами горения,
поэтому наблюдается устойчивое горение в виде сложной многоочаговой
структуры пламени. Устойчивое горение, характеризуемое отрывом очагов
горения с боковой поверхности пламени, наблюдается для ультра-бедных
смесей с содержанием водорода 5.5 – 9.0%.
2. Продемонстрирован способ подавления образования вторичных очагов
пламени и снижения скорости всплытия очага горения, с помощью
теплоотвода к стенкам.
3. Продемонстрировано хорошее согласие проведенных расчетов с
экспериментальными данными по динамике всплытия очага горения, его
топологии.
4. Определены значения концентраций водорода в ультра-бедных
водородно-воздушных смесях на больших пространственных масштабах, при
которых не наблюдается затухание очагов горения. На основе
математического моделирования в условиях микрогравитации нижний
концентрационный предел оценен как ≈ 3,45±0,05 %, а в условиях земной
гравитации – 5,25±0,25%. Базовым механизмом, определяющим критические
условия горения, является неустойчивость очагов ультра-бедного горения по
отношению к формируемому вихревому течению, разрушающему
целостность очага в наивысшей точке фронта пламени, расположенной на оси
симметрии. Фронт пламени под действием вихревого течения разрушается в
своей наивысшей точке на мелкие очаги, которые с течением времени гаснут.
5. Проведена классификация режимов устойчивого и неустойчивого
горения ультра-бедных водородно-воздушных смесей на основе аналогии
«пламя-пузырек» и на основе совместного анализа динамики газовых
пузырьков в приближении несмешивающихся газов и динамики очагов
ультра-бедного горения. Выявлено два основных сценария развития горения в
ультра-бедных водородно-воздушных смесях в зависимости от содержания
водорода в смеси.
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
4.8 (40 отзывов)
4.2 (6 отзывов)
5 (188 отзывов)
4.6 (30 отзывов)
4.2 (13 отзывов)
4.9 (5 отзывов)
4.2 (25 отзывов)
4.6 (71 отзыв)
5 (428 отзывов)
