(5 оценок, среднее: 4,80 из 5)
Загрузка...
Учебная работа. Распространение пламени в гибридных смесях уголь-метан-воздух
Одесский государственный институт им. И.И. Мечникова
Кафедра общей и хим физики
Распространение пламени в гибридных консистенциях уголь-метан-воздух
Курсовая работа
студентки IV курса
физического факультета Каменецкой Ольги Ивановны
Научный управляющий
доктор Шевчук В.Г.
Одесса-2004
Содержание
Введение
Глава1. Распространение пламени в горючих консистенциях
1.1 Распространение пламени в газофазных консистенциях.
1.1.1. структура одностадийной волны и скорость горения в приближении узенькой зоны реакции.
1.1.2. Воспламенение газовых консистенций и скорость распространения пламени.
1.2 Ламинарное пламя в пылях.
1.3 Распространение пламени в гибридных консистенциях.
Глава2. Экспериментальная установка и методика исследования пламени гибридных консистенциях.
2.1 Описание установки.
2.2 методика обработки результатов.
Выводы.
Введение.
Горение в режиме распространения пламени является более нередко встречающимся видом горения как в гомогенных газообразных системах, так и в пылях.
задачка распространения пламени в газах является традиционной задачей физики горения и тщательно исследована как в экспериментальном [1], так и в теоретическом плане [2].
В отличие от газов, где горючее и окислитель перемешаны на молекулярном уровне, в пылях возникают доп управляющие характеристики, обусловленные дисперсным состоянием горючего, такие как: размер частиц, их форма, распределение частиц по размерам [3].
В газодинамическом отношениями меж газами и пылями существует определённое подобие, проявляющееся в существовании режимов распространения пламени: ламинарного, вибрационного, турбулентного, детонационного. Но, если в газах условия существования этих режимов определяются лишь концентрационными соотношениями, то в пылях они в наиболее значимой мере зависят от дисперсных черт горючего.
Среднее положение меж газами и пылями занимают так именуемые гибридные консистенции, т. е. консистенции горючего порошка с газообразным окислителем и горючим. к примеру, гибридные консистенции уголь-метан-воздух. Конкретно в таковых консистенциях происходят более разрушительные шахтные взрывы. Но в экспериментальном плане такие системы фактически не изучались (кроме детонаций в экспериментальных штреках). Теоретическое моделирование распространение пламени в консистенции горючих газов и частиц, основанное на численном интегрировании уравнений термического и массового баланса проводились в единственно известной нам работе [4].
Из общих физических суждений следует ждать, что если частички довольно маленькие для того, чтоб воспламеняться и пылать в зоне газового пламени, то твёрдая фаза будет выступать как доп источник тепла и скорость пламени обязана численно возрастать в гибридной консистенции по сопоставлению с чисто газовой консистенцией. Если же газообразная смесь является быстрогорючей, а частички довольно большими, то горение частиц будет происходить поблизости либо в зоне газофазных товаров сгорания. В этом случае тепловыделение на частичках реализуется на огромных расстояниях от границы предпламенная зона — зона газофазного горения и не будет оказывать существенного воздействия на динамику прогрева предпламенной зоны, т.е. частички будут служить доп стоком тепла в зоне горения аналогично инертной добавки. Вследствие этого следует ждать понижение скорости распространения пламени.
Для обозначенных 2-ух подходов должны реализовываться разные расчётные схемы ламинарного пламени. Выбор того либо другого подхода, до этого всего, должен основываться на экспериментальных исследовательских работах ламинарного пламени в гибридных консистенциях.
Наша работа посвящена экспериментальному исследованию ламинарного пламени в гибридных консистенциях метан-уголь-воздух. Её основная мысль заключается в сравнительных исследовательских работах процесса распространения пламени в последующих консистенциях: метан-воздух при разных концентрационных соотношениях компонент; метан-уголь-воздух; метан-воздух-инертная добавка при соответственных концентрациях метана. В качестве базисного экспериментального способа избран способ тонкостенного резинового зонда, т.е. за ранее создаётся горючая газообразная смесь, потом делается распыл твёрдого компонента и центральное зажигание. Для этого нам пригодилось видоизменять установку “зонд” [5] до этого всего системой изготовления и контроля характеристик горючей метановоздушной консистенции. В работе дано описание установки и приведены результаты подготовительных опытов.
Глава 1: Распространение пламени в горючих консистенциях.
1.1 Распространение пламени в газофазных консистенциях.
1.1.1 структура одностадийной волны и скорость горения в приближении узенькой зоны реакции.
Распространение волны горения является одним из вероятных режимов, в каком могут протекать экзотермические хим реакции. При распространении волны горения начальное вещество, имеющее сравнимо низкую исходную температуру, отделено узенькой зоной горения от товаров реакции, имеющих существенно наиболее высшую температуру. Зона горения, разделяющая начальное вещество и продукты, {перемещается} в сторону начального вещества с некой линейной скоростью uн , именуемой обычной скоростью горения.
В волне горения протекают хим реакции, приводящие к выделению тепла и нагреву среды, происходит перенос тепла и компонент консистенции благодаря действиям теплопроводимости, излучения, диффузии, фильтрации и т. п.
Главной задачей теории распространения волн горения является исследование стационарной волны горения и выяснение критерий, при которых стационарный волновой режим реакции быть может реализован. Значимость этих вопросцев обоснована большей распространенностью стационарного режима и его значением в практических применениях.
В стационарном режиме волна горения распространяется фактически с неизменной скоростью, при этом неизменной является не только лишь скорость волны, остаются постоянными также профили температуры и концентраций компонент (в системе координат, связанной с волной горения). понятие о стационарной волне горения по существу является приближенным, но конфигурации скорости и структуры волны горения за время ее распространения почти всегда настолько ерундовы, что понятие стационарного режима приобретает полностью настоящий смысл.
Обычные профили температуры Т и скорости тепловыделения при однозонном протекании реакции показаны на рис.1, где через х/ обозначена пространственная координата, стрелкой обозначено направление, в каком распространяется волна; знаками QФ обозначена скорость тепловыделения.
Т в
Uн
QФ
То
Рис 1. Х’
Физическая картина процесса стационарного распространения волны горения состоит в последующем.
Так как быстроту реакции очень возрастает с температурой, то там, где температура высока (адиабатическая температура горения Тb обычно лежит в границах 1000-3000 К ), хим перевоплощение протекает с весьма большенный скоростью, например, за миллисекунды. В зоне интенсивного хим перевоплощения, расположенной в области больших температур (см. рис. 1), выделяется тепло, которое благодаря процессу теплопроводимости передаётся в лежащие слои прохладного вещества, нагревая их и ускоряя тем там реакцию. В итоге в среде происходит распространение волны экзотермической реакции. Не считая теплопроводимости, в волне горения происходит ещё диффузия компонент на расстояниях порядка толщины зоны горения в случае горения газов и различные остальные процессы при горении гетерогенных систем.
Волну горения комфортно разглядывать в системе координат, перемещающейся совместно с ней. Пусть волна горения распространяется в направлении, оборотном направлению координаты x/ (x/ — расстояние в недвижной системе координат), со скоростью un .Уравнение теплопроводимости в недвижной системе координат запишем в последующем виде:
, (1.11)
где t — время; cp — удельная теплоёмкость среды при неизменном давлении; — плотность; — коэффициент теплопроводимости; QkФk — скорость тепловыделения в k-й реакции (суммирование ведётся по всем вероятным реакциям). Нижний индекс у личной производной по времени показывает, что эта производная берётся при x/ =const.
Перейдём к системе координат, связанной с волной горения:
, (1.12)
где x — расстояние в передвигающейся со скоростью un системе координат.
Заменяя в (1.1.1) x/ на x , получим
. (1.13)
Так как в стационарной волне горения профиль температуры остаётся постоянным, производная при x = const равна нулю. Потому имеем:
. (1.14)
Граничные условия для (1.1.4) (полагаем, что теплопотери отсутствуют и в волне горения достигается термодинамическое равновесие):
.
Для простоты будем считать, что в каждой точке стационарной волны горения имеется некая конкретная связь меж концентрациями компонент и температурой. Тогда скорость тепловыделения в уравнении (1.1.4) можно считать функцией лишь температуры и потому (1.1.4) можно разглядывать независимо от других уравнений. С учётом этого представим уравнение (1.1.4) в последующей простейшей форме:
(1.15)
тут быстроту реакции Ф, являющаяся согласно произведенному предположению функцией лишь температуры, обязана обращаться в нуль при Т=Тb , так как температура горения Тb соответствует окончанию реакции; Q — термический эффект реакции.
Будем считать, что выделение тепла в волне горения происходит одностадийно, к примеру, вследствие протекания лишь одной хим реакции. Подчеркнем, что это не значит отсутствие остальных реакций. Предположение состоит только в том, что вкладом в скорость тепловыделения от других реакций по тем либо другим причинам можно пренебречь. опять будем разглядывать уравнение теплопроводимости (1.15):
(1.16)
Источник тепловыделения QФ в (1.16) зависит от концентраций реагирующих веществ ai. Связь меж ai и Т в каждой точке волны горения в общем случае неведома и не быть может определена без решения полной системы уравнений, включающей уравнения для концентраций. Но для нас пока довольно считать, что таковая связь в принципе имеется (полагаем, что решение задачки о стационарной волне горения существует), и разглядывать лишь одно уравнение (1.16).
Ввиду мощной зависимости быстроты реакции от температуры в волне горения можно пренебречь везде кроме узенькой зоны поблизости температуры горения Тb (таковая ситуация изображена на рис. 1). Эту зону, где быстроту реакции велика, именуют зоной реакции (либо зоной тепловыделения). Остальная часть волны горения, расположенная в области наиболее низких температур, именуется зоной прогрева (либо прогретым слоем). В зоне прогрева тепловыделением от хим реакции можно пренебречь. Прогрев консистенции в данной зоне от Т=Т0 до температур, несколько наиболее низких, чем Тb, происходит за счет тепла, поступающего из зоны реакции. Размер зоны прогрева намного превосходит размер зоны реакции.
Введём в (1.16) новейшие переменные. В качестве независящей переменной заместо координаты будем разглядывать температуру Т, а в качестве зависимой переменной термический потока:
(1.17)
Тогда уравнение (1.16) воспринимает вид
(1.18)
Введём температуру Тr, подобающую границе меж зонами прогрева и реакции. температура Тr имеет в определённой мере условный смысл, так как ввиду непрерывной зависимости быстроты реакции от температуры четкой границы меж зонами реакции и прогрева, естественно не имеется.
В зоне прогрева, т. е. в области температур Т0Т<Тr, будем третировать в уравнении (1.18) скоростью реакции. Как следует, для зоны прогрева имеем:
? (1.19)
Интегрируя (1.19), получим
? (1.20)
Таковым образом, в координатах q—T (термический поток — температура) зоне прогрева соответствует прямолинейный участок кривой q(T) с углом наклона, пропорциональным скорости горения m. Решение (1.20) показано на рис. 2 прямой линией 2.
Рис 2.Вид зависимости термического потока q от температуры Т в однозонной волне горения в случае узенькой зоны реакции:
Для нахождения зависимости Т от координаты x в зоне прогрева проинтегрируем (1.20) по x с учётом определения q по (1.17) (для простоты теплофизические свойства консистенции будем при всем этом считать неизменными). Интегрирование даёт:
(1.21)
где через const обозначена неизменная интегрирования. Величина входящая в показатель
(1.22)
экспоненты, имеет размерность длины и именуется шириной прогретого слоя (-температуропроводность; un -нормальная скорость горения). Как видно из (1.21), на расстоянии, равном , перепад температуры в прогретом слое меняется в «е» раз.
Так как основная часть одностадийной волны горения с узенькой реакции приходится на прогретый слой, то величина сразу охарактеризовывает размер всей волны горения. Таковым образом, соответствующий размер волны горения lb равен .
Интегральная кривая уравнения (1.18) в случае узенькой зоны реакции отменно изображена на рис 2 (кривая 1). Линейный рост в зоне прогрева сменяется резким падением в узенькой зоне реакции(q=0 при T=Tb).
Можно показать, что в зоне реакции не много 2-ое слагаемое в (1.18) (в среднем по зоне реакции порядок величины дела второго слагаемого к первому составляет (Т-Тb)/(Tb—T0). Пренебрегая вторым слагаемым в (1.18) и интегрируя, получим для зоны реакции:
(1.23)
Зависимость q(T) по (1.23) показана на рис 2 кривой 3.Так как за пределами зоны реакции Ф(Т, аi) весьма мала, то величина интеграла (1.23) фактически перестаёт зависеть от нижнего предела, и кривая 3 насыщается в области низких температур. Потому для того, чтоб оценить по (1.23) q на границе меж зонами прогрева и реакции можно в качестве нижнего предела интегрирования избрать хоть какое Т<Тr, а именно Т=Т0. Сращивая (1.20) и (1.23) (ввиду узости зоны реакции для вычисления значения q на границе зон прогрева и реакции в (1.20) можно приближённо принять Т?Тb), получим основную формулу для скорости горения в приближении узенькой зоны реакции:
(1.24)
Подчеркнём, что величина интеграла (1.24) не зависит (в рассматриваемом приближении) от нижнего предела интегрирования, так как Ф(Т,ai) приметно различается от нуля лишь в области больших температур поблизости температуры горения Тb [5].
1.1.2 Воспламенение газовых консистенций и скорость распространения пламени.
Для того, чтоб могли протекать реакции горения, нужно сделать условия для воспламенения консистенции горючего и окислителя.
Воспламенение быть может самопроизвольным и принужденным. Под самовоспламенением понимается такое прогрессирующее самоускорение хим реакции, в итоге которого медлительно протекающий в исходной стадии процесс добивается огромных скоростей и на оканчивающей стадии протекает одномоментно.
Принужденное воспламенение (зажигание) обосновано внесением в реагирующую смесь источника теплоты, температура которого выше ее температуры воспламенения. Газовоздушная смесь, не воспламеняющаяся при низкой температуре, может возгореться при завышенной температуре, когда создаются подходящие условия для появления активных центров в итоге утраты стойкости сложных начальных молекул веществ.
процесс воспламенения характеризуется тем, что имеются определенные границы (пределы), вне которых воспламенение не наступает ни при каких критериях. Понятно, что газовоздушные консистенции воспламеняются лишь в том случае, когда содержание газа в воздухе находится в определенных (для всякого газа) границах. При незначимом содержании газа количество теплоты, выделившейся при горении, недостаточно для доведения примыкающих слоев консистенции до температуры воспламенения, т.е. для распространения пламени. То же наблюдается и при очень большенном содержании газа в газовоздушной консистенции. Недочет кислорода воздуха, идущего на горение, приводит к снижению температурного уровня, в итоге что примыкающие слои консистенции не греются до температуры воспламенения. Сиим двум случаям соответствуют нижний и верхний пределы воспламеняемости. Для метана нижний предел воспламеняемости в воздухе составляет 5,3%, верхний-14,0%. Смесь метана с кислородом: нижний предел 5,1%, а верхний 61%. Потому не считая перемешивания газа с воздухом в определенных пропорциях должны быть сделаны исходные условия для воспламенения консистенции.
температура воспламенения газа зависит от ряда причин, в том числе от содержания горючего газа в газовоздушной консистенции, давления, метода нагрева консистенции и т.д., и потому не является конкретным параметром. температура воспламенения метана в воздухе составляет от 545 до 850 оС.
В практике встречаются два метода воспламенения горючих консистенций: самовоспламенение и зажигание. При самовоспламенении весь размер горючей газовоздушной консистенции равномерно методом подвода теплоты либо увеличения давления доводится до температуры воспламенения, опосля что смесь воспламеняется уже без наружного термического действия. В технике обширно применяется 2-ой метод, называемый зажиганием. При всем этом методе не требуется нагревать всю газовоздушную смесь до температуры воспламенения, довольно зажечь прохладную смесь в одной точке размера каким-либо высокотемпературным источником (искра, накаленное тело, дежурное пламя и т.д.). В итоге воспламенение передается на весь размер консистенции самопроизвольно методом распространения пламени происходящего не одномоментно, а с определенной пространственной скоростью. Эта скорость именуется скоростью распространения пламени в газовоздушной консистенции и является важной чертой, определяющей условия протекания и стабилизации горения.
Пределы воспламенения газовоздушных консистенций расширяются в увеличением температуры, воздействие же давления носит наиболее непростой нрав. Увеличение давления выше атмосферного для неких консистенций (к примеру, водорода с воздухом) сузивает пределы воспламенения, а для остальных (смесь метана с воздухом) расширяет. При давлении ниже атмосферного верхний и нижний пределы сближаются, т.е. концентрационные пределы воспламенения сужаются.
Критериями воплощения принужденного воспламенения являются: наличие действенного источника зажигания и способность образовавшегося фронта пламени самопроизвольно передвигаться (распространяться) в объеме газовоздушной консистенции. Этот процесс носит заглавие распространения пламени.
Различают два режима стационарного распространения пламени: в покоящейся либо ламинарно передвигающейся среде и в турбулентном потоке. 1-ый носит заглавие обычного распространения пламени, а 2-ой — турбулентного.
1.2 Ламинарное пламя в пылях.
анализ задачи ламинарного пламени в газовзвесях основывается на подходах, развитых применительно к горению газофазных систем [2] и учитывает целый ряд присущих взвесям особенностей. Это, сначала -отличия в температурах и скоростях конденсированной и газовой компонент, закономерности воспламенения и горения частиц в волне горения. Обозначенные индивидуальности обуславливают существование в газовзвесях наиболее широких, в сопоставлении с газами, фронтов горения и наличие значимых радиационных потоков.
В связи с сиим, с нашей точки зрения, принципно необходимыми для ламинарного режима являются взаимосвязанные вопросцы о механизме передачи тепла в предпламенную зону и о способности использования применительно к газовзвесям понятия обычной (базовой) скорости пламени. Обычная скорость пламени описывает размер горючей консистенции, поступающий в единицу времени на единицу поверхности фронта пламени и в случае искривленных фронтов охарактеризовывает скорость перемещения фронта пламени по нормали к его поверхности. Для газовзвесей введение обычной скорости оправдано в том случае, когда ширина предпламенной зоны ln и ширина зоны горения lr = v много меньше радиуса кривизны фронта пламени, сравнимого с размерами экспериментальной установки (для труб -диаметр трубы, для горелок — поперечник устья).
Таковым образом, применительно к газозвесям частиц речь может идти о соотношении кондуктивного потока из зоны горения и радиационного потока от зоны горения и от зоны высокотемпературных конденсированных товаров сгорания. Фактически задачка обязана решаться 2-мя способами: 1) прямыми измерениями кондуктивного и радиационного потоков, выходящих из зоны горения; 2) определением многофункциональной зависимости скорости пламени от характеристик аэровзвеси (размера частиц и концентрации жесткой фазы) в очень вероятном спектре их значений и в разных экспериментальных критериях.
Теоретические исследования горения газовзвесей основываются на отлично развитых моделях горения одиночных капель и частиц (начиная с работ Г. А. Варшавского и Д. Срезневского). В общем случае прогрев частиц до температуры воспламенения в волне горения осуществляется совместным действием кондуктивного, конвективного и радиационного потоков тепла. Но, целесообразен раздельный учет всякого из обозначенных слагаемых, с тем, чтоб в предстоящем, основываясь на экспериментальных данных, выявить область доминирования того или другого механизма теплоперадачи.
Кондуктивный механизм подразумевает, что прогрев взвеси осуществляется молекулярной теплопроводимостью. 1-ые теоретические работы в данной области выполнены О. И. Лейпунским [10] и Ф. Вильямсом [11]. Так, в [10], в предположении, что скорость горения темного пороха определяется горением выносимых с поверхности угольных частиц, получено выражение для скорости пламени, где к — коэффициент температуропроводности газа, — время горения частиц, Тп — температура поверхности пороха, Тэф — действенная температура горения.
(1.25)
Невзирая на простоту, (1.25) передает все главные индивидуальности кондуктивного механизма волны горения. Вправду, в случае диффузионного режима горения частиц () скорость пламени пропорциональная d-1, а для кинетического () пропорциональна .
Радиационный механизм. наличие высокотемпературных пылающих частиц и товаров их сгорания в зоне горения (либо в послепламенной зоне), также высочайшая поглощательная способность взвеси в зоне прогрева, могут определить существенную роль действий радиационного переноса в явлениях распространения фронта горения в газовзвесях.
Общие черты радиационного механизма распространения пламени передают последующие обыкновенные оценки, проведенные В. Нуссельтом [12]. При стационарном распространении пламени лучистый поток от сплошного фронта горения с действенной температурой Тэф за время dt равен dt, за это время фронт пламени {перемещается} на dx = vdt и, как следует, лучистый поток должен прогреть этот слой до некой температуры Тв, т.е.
dt = Соб(Тв — T0)dx,
тут — Соб — большая теплоемкость консистенции. Откуда
(1.26)
А зависимость от d реализуется лишь через TB(d), т. е. для магния v обязана была бы расти с ростом d (так как Тв миниатюризируется), для алюминия — напротив, уменьшаться либо оставаться постоянной.
Конвективный механизм подразумевает, что перенос тепла из зоны горения в предпламенную зону делается в главном передвигающимися газообразными продуктами сгорания. Этот режим может реализовываться при распространении пламени от закрытого конца обскурантистского сосуда и в облаках газовзвеси. Необходимыми критериями его появления являются: существенное газовыделение при горении частиц, термическое расширение товаров сгорания в направлении движения фронта пламени и различие в скоростях движения частиц и газа.
Таковым образом, на теоретическом уровне вероятные механизмы распространения пламени по газовзвеси довольно тщательно исследованы. совместно с тем, по нашему воззрению, применительно к задачкам волнового горения определенных газовзвесей, беря во внимание неполноту (либо ограниченный нрав) инфы о термокинетических параметрах системы, оптико-спектральных свойствах начальных частиц и товаров сгорания, вероятные смены гидродинамических режимов, применение серьезных постановок задач в рамках механики многофазных потоков имеет быстрее иллюстративный нрав, т.е. подразумевает получение не столько количественной сколько высококачественной инфы о зависимости скорости пламени от характеристик взвеси.
естественно, выбор той либо другой модели ламинарного пламени применительно к определенному типу взвеси и аппаратурным условиям может выполняться лишь методом сопоставления с надлежащими опытнейшеми данными.
Обычная скорость пламени определяется из системы дифференциальных уравнений, описывающих динамику прогрева газового и твердого компонент в предпламенной зоне (рассматривается тонкий стационарный фронт пламени, распространяющийся в нескончаемом пространстве горючей газовзвеси)
(1.27)
(1.28)
Уравнение (1.25) обрисовывает прогрев частиц (индекс s относится к частичкам) с учетом радиационного потока q0, поступающего из зоны товаров сгорания, и вероятного движения частиц относительно газа vы; п =6 В / — счетная концентрация частиц, В — массовая концентрация горючего; l= 2dps/3B — длина пробега излучения в начальной взвеси; а = Nu/d -коэффициент термообмена; с — теплоемкость; р — плотность; -теплопроводность газа; Т — температура; d — поперечник частиц. В (1.26) пренебрегаем тепловыделением за счет реакции в зоне прогрева.
Условия на прохладной границе
(1.29)
На границе зоны прогрева и горения (х = 0) в качестве граничного условия запишем уравнение термического баланса меж зонами прогрева и реакции
(1.30)
тут Ti и Tsi — температура газа и частиц в точке воспламенения, г — время горения частиц, T? — адиабатическая температура сгорания. Профиль температуры газа в зоне горения полагаем линейным, так что — средний кондуктивный поток тепла в предпламенную зону. В качестве условия воспламенения берем Tsi=Ts* , (Ts* — температура частиц в режиме самовоспламенения). Можно показать, что выбор другого условия воспламенения не сказывается значительно на получаемых результатах, совместно с тем выбранное условие значительно упрощает задачку. Решая (1.27 — 1.30) приходим к последующему непознаваемому уравнению:
где
(1.31)
Из (1.31) просто получить предельные выражения для чисто кондуктивного и радиационного устройств горения. Полагая А = 0 (q0 = 0) и vs= 0, имеем для кондуктивного механизма
Пренебрегая теплопроводимостью (), получим для v выражение.
1.3 Распространение пламени в гибридных консистенциях.
В работе [4] изучено распространение фронта горения по газовзвеси, в какой экзотермические хим реакции идут в газовой фазе и на поверхности частиц дисперсной фазы с одним из компонент газовой фазы. Такие процессы, а именно, происходят при горении метановоздушной консистенции со взвешенными в ней частичками угольной пыли.
Сформулирована физико-математическая модель распространения пламени по газовзвеси, состоявшей из консистенции газов (окислителя, горючего и инертного) и частиц конденсированного вещества, гетерогенно реагирующих с окислителем. На базе численного анализа получены зависимости скорости распространения пламени от характеристик, характеризующих массовую концентрацию частиц, их размер, энергию активации гетерогенной реакции на поверхности частиц, термический эффект гетерогенной реакции и массообмен частиц. Зависимо от соотношения характеристик дисперсной фазы скорость распространения пламени в таковой среде может возрастать в несколько раз по сопоставлению со скоростью пламени в незапыленной газовой консистенции или уменьшаться, тогда и воздействие частиц аналогично воздействию инертной дисперсной фазы.
Рассматривается полубесконечная газовзвесь, состоящая из консистенции газов (окислителя, горючего и инертного), в какой умеренно взвешены маленькие частички вещества, способного гетерогенно реагировать с одним из компонент газовой консистенции. Предполагается, что реакция на поверхности частиц идёт с окислителем; газодисперсная смесь недвижна; частички имеют однообразный размер и сферическую форму; термообмен меж частичками и газом происходит по закону Ньютона; скорость хим реакций в газе и на поверхности частиц от температуры по закону Аррениуса; продуктами гетерогенной реакции на частичках являются газы; все хим реакции идут без возрастания размера; тепловым расширением газовой консистенции пренебрегаем; на границе области х=0 размещен источник воспламенения (жгучая стена), а газовзвесь размещена на расстоянии l от жаркой стены.
Математическая модель горения таковой консистенции построена на базе теплодиффузионной модели горения газов [2], дополненной уравнениями энергии и выгорания дисперсной фазы с учётом межфазного термического массового взаимодействия. Подобные модели, учитывающие двухтемпературность среды, удачно применяли для моделирования самовоспламенения [13] и зажигания газовзвесей [14], для исследования вопросцев пожаротушения и огнепреграждения [15]. С учётом изготовленных допущений уравнения, описывающие процессы в таковой консистенции, имеют последующий вид: уравнение энергии газовой фазы-
(1.32)
уравнение энергии частицы-
(1.33)
уравнения сохранения массы горючего и окислителя в газовой фазе-
(1.34)
(1.35)
уравнение конфигурации массы частицы-
(1.36)
уравнение сохранения массы среды-
(1.37)
Исходные условия:
(1.38)
граничные условия:
(1.39)
тут t — время; х — координата; Т— температура; ?- плотность; с— удельная теплоемкость; Qpg,0 -теплота хим реакции в газе, q — на поверхности частиц; Е — энергия активации хим реакции; k0, k0,k— предэкспоненциальные множители в законе Аррениуса для гомогенной и гетерогенной реакций; m — масса частички; N — число частиц в единице размера; ?, ?, ?m, D — коэффициенты теплопроводимости, термообмена, массообмена, диффузии; R— всепригодная газовая неизменная; Y1,Y2— концентрации горючего и окислителя в газовой фазе; NuD— диффузионное число Нуссельта; af — стехиометрический коэффициент. Индексы: 1- горючий газ, 2- окислитель, in— инертная часть начальной газовой консистенции и продукты горения, g— газовая фаза, k-дисперсная фаза, 0- исходные условия.
Таковым образом, построена математическая модель горения газовзвеси, состоящей консистенции газообразного окислителя и горючего и взвешенных в ней частиц, гетерогенно реагирующих с газообразным окислителем. Проведенное численное исследование воздействия характеристик дисперсной фазы на стационарную скорость распространения пламени по газовзвеси показало, что зависимо от соотношения характеристик газовой и дисперсной фаз вероятны случаи, когда наличие химически активной дисперсной фазы наращивает скорость распространения волны горения в несколько раз по сопоставлению со скоростью фронта горения в незапятанной газовой консистенции. Это быть может предпосылкой перехода горения таковой консистенции в детонацию. При неких соотношениях характеристик дисперсной фазы ее воздействие аналогично воздействию инертной дисперсной фазы.
Постановка задачки.
Исходя из вышеизложенного, в нашей работе ставятся последующие цели:
1. Видоизменять установку по исследованию распределения пламени в пылях для исследования действий горения гибридных консистенций метан-воздух-уголь.
2. Провести опыты с разными концентрационными соотношениями метана и угля.
3. Создать выводы о роли угля (как экзотермической либо инертной добавки) в действиях горения таковых гибридных консистенций.
]]>