Главная – Журналы – Поиск по журналам

Выполнен обзор исследований в области физико-математического моделирования процесса смешения твердых частиц с высокоскоростными потоками газа, возникающими при действии ударных волн, волн сжатия и разрежения на неустойчивые пылевые отложения, расположенные на границах каналов, пластинах, в кавернах, и на свободные облака частиц. Описываются, в частности, эксперименты в ударных трубах с частицами, лежащими первоначально в кавернах и на поверхностях. Экспериментальные данные, которые представлены в виде распределений концентрации частиц в различных точках пространства по высоте над неустойчивым слоем, распределений давления на нижней стенке ударной трубы и т. п., используются для верификации предложенных математических моделей в режимах как одиночных частиц и взаимодействующих континуумов, так и турбулентной диффузии. Анализ экспериментальных и расчетных данных показал в некоторых случаях адекватность рассматриваемых моделей, которые позволяют выявить волновую структуру движения смеси и поля параметров внутри и вне слоя.

Численно исследовано распространение плоского ламинарного пламени. Показано, что в богатых гомогенных смесях пропан—воздух и метан—воздух максимальная температура пламени превышает термодинамически равновесную. Степень сверхадиабатичности зависит от концентрации топлива в смеси с воздухом. Показано, что явление сверхадиабатичности богатых пламен углеводородов обусловлено диффузией водорода из зоны реакции в зону подогрева и его преимущественным (по сравнению с углеводородом) окислением. Полная энтальпия газа непостоянна по координате во фронте пламени и имеет максимум.

Разработана кинетическая схема для описания самовоспламенения изооктана в воздухе, насчитывающая 976 реакций с участием 126 компонентов и удовлетворительно описывающая особенности процесса как при низких, так и при высоких начальных температурах смеси. Результаты численного моделирования с погрешностью не хуже 30 % согласуются с экспериментальными данными по пиролизу изооктана и по времени задержки самовоспламенения смеси изооктан + воздух в интервалах начальных значений давления 0,1 ÷ 4,5 МПа и температуры 700 ÷ 1300 К при коэффициенте избытка топлива 0,5 ÷ 2,0.

Рассмотрены термодинамические свойства активной распределенной кинетической системы, и построено уравнение баланса энтропии автоволн ламинарного горения при произвольном числе Льюиса. Проведен качественный и численный анализ локального и полного производства энтропии в динамической системе с трехмерным фазовым пространством. Показано, что полное производство энтропии в системе является функционалом автоволнового решения задачи. Из однопараметрического семейства математически равноправных решений минимум функционала соответствует единственному физически содержательному решению. Представлена вариационная формулировка задачи, при решении которой не используется процедура обращения в нуль скорости реакции при низких температурах. Проведено сопоставление результатов вычислительных экспериментов с литературными данными.

Обсуждается принципиальная возможность определения температуры нанооксидов в пламенах по спектру теплового излучения. Показано, что экспериментально определенная температура может быть близкой к реальной температуре частиц только в случае достаточно высокой концентрации структурных дефектов в частицах. Отмечается необходимость учета энергии, запасенной в этих дефектах, при описании тепловыделения металлсодержащих пламен.

В рамках двумерной модели теплопереноса решена задача о зажигании конденсированного вещества одиночными, нагретыми до высоких температур частицами. Численные исследования проведены для типичных материалов — поливинилнитрата и углеродистых частиц. Установлено, что режимы воспламенения конденсированного вещества одиночной частицей при относительно низких температурах адекватны по времени задержки воспламенения режимам нагрева конденсированного вещества газовым потоком без частиц, а при высоких температурах — режимам нагрева металлической пластиной с фиксированной температурой. В некотором достаточно узком диапазоне температур частиц применение двумерной модели теплопереноса приводит к существенно отличным от других режимов временам задержки воспламенения.

Разработана математическая модель процесса газификации одиночной углеродной частицы в среде диоксида углерода. Учитываются пористая структура частицы, процессы диффузии, кинетика процессов газификации на поверхности пор по модели Ленгмюра — Хиншельвуда, реагирование на активных углеродных центрах. Температура частицы задается. Результаты расчетов показывают, что газификация частицы и выход оксидов углерода продолжаются и после прекращения подачи газифицирующего реагента, что объясняется задержкой во времени отрыва от поверхности пор комплексов C(O)_L — подвижных атомов кислорода, соединенных с атомами углерода, выход CO при газификации значительно уменьшается в начальный период времени из-за уменьшения количества свободных активных углеродных центров. Получены данные о распределении степени конверсии углерода и других параметров по радиусу частицы в зависимости от времени.

Построена модель волны горения в конденсированных смесях с автоторможением тугоплавким продуктом реакции с учетом уменьшения поверхности частиц тугоплавкого реагента в процессе химического взаимодействия с легкоплавким реагентом. Для получения приближенного аналитического решения использован метод полубесконечной зоны реакции. Корректность метода подтверждена качественным и численным исследованием дифференциальных уравнений. Известная по литературе модель рассматриваемого процесса не учитывала изменение поверхности частиц тугоплавкого реагента, что проводило к игнорированию принципиальной характеристики всех химических реакций — непрерывному уменьшению скорости реакций при выгорании реагентов.

С целью уточнения кинетического механизма, предложенного ранее для описания химической структуры пламени ADN, проведено численное моделирование химических процессов при давлении 10 Торр и 3 ÷ 40 атм в продуктах термического разложения и в пламени ADN. Приведены результаты численного моделирования процесса пиролиза продуктов сублимации ADN в проточном реакторе в температурном интервале 373 ÷ 920 К при давлении 10 Торр. Обсуждаются особенности численного моделирования реакции NH₃ с HN(NO₂)₂ в условиях высоких температур и низких давлений, а также причины значительного расхождения результатов расчетов, полученных с использованием известных одномерных моделей. Предложена методика, позволяющая адаптировать одномерные расчетные алгоритмы применительно к быстропротекающим процессам, количественно оценивать вклад зоны прогрева в химические процессы. На основе сопоставления расчетных данных с экспериментальными оценены вклады отдельных стадий и компонентов в процесс пиролиза, а также значения констант скоростей. Сделан вывод о протекании процесса сублимации ADN по диссоциативному механизму: ADN_c → NH₃ + HN(NO₂)₂.

Исследовалось излучение ударно-сжатой воды в диапазоне давлений 10,0 ÷ 39,5 ГПа, нагружаемой через преграды из различных металлов (Al, Mg, Cu). Показано, что интенсивность излучения зависит как от давления ударного сжатия, так и от природы металла. При давлениях ниже 25 ГПа в области прозрачности воды интенсивность излучения существенно превосходит предполагаемый уровень теплового излучения. Обнаруженный эффект отчасти может быть объяснен взаимодействием материала преграды с водой, а также нетепловым излучением ударно-сжатой воды. Для сравнения приведены некоторые экспериментальные данные по ударно-индуцированному излучению ряда прозрачных материалов (оптическое стекло «Крон-8», глицерин, хлорид натрия).