Список обозначений 5
Введение 6
1 Общие сведения из теории горения 8
1.1 Ламинарные пламена предварительно перемешанной смеси 8
1.2 Ламинарные пламена предварительно не перемешанной смеси 12
1.3 Смешанные ламинарные пламена с предварительно перемешанной и не
перемешанной смесью 13
1.4 Некоторые основные определения 13
1.5 Качественное рассмотрение ламинарного пламени 15
2 Описание химического взаимодействия газообразных веществ в пакете Ansys Fluent 18
3 Описание теплофизических характеристик компонент 20
4 Физическая постановка задачи 21
4.1 Задача №1 21
4.2 Задача №2 22
4.3 Задача №3 22
5 Математическая постановка задачи 24
6 Численный метод решения определяющей системы уравнений 26
6.1 Метод контрольного объема 26
6.2 Основные принципы выбора интерполяционных функций и профилей. . 29
6.3 Основные правила построения дискретных аналогов 30
6.4 Схема SIMPLE 31
7 Обсуждение результатов 33
Заключение 42
Литература 43
Приложение 44
Горение это сочетание таких физических процессов, как плавление, испарение, ионизация, а также химических реакций окисления горючего вещества и материала, протекающих совместно и сопровождающихся световым и тепловым излучением с выделением дыма [1]. В большей степени под горением подразумевается взаимодействие горючего вещества с окислителем, обычно с кислородом, содержащимся в воздухе. Существуют процессы горения и без присутствия воздуха, в таких случаях окислитель уже изначально входит в состав горючего вещества (целлюлозные материалы). Кроме того, окислителем может являться и другое вещество (например: фтор, хлор, окислы азота).
Виды горения зависят от способа подвода окислителя и горючего вещества, их различают на следующие типы:
• диффузионное горение, когда горючее и окислитель смешиваются за счет диффузии, в процессе горения;
• гомогенное горение, когда горючее и окислитель в процессе участвуют перемешанными без поверхности раздела фаз;
• гетерогенное горение, когда горючее и окислитель находятся в разных агрегатных состояниях (твёрдое - газ, твёрдое - жидкость) или между ними имеется поверхность раздела (твёрдое - твёрдое, несмешивающаяся жидкость - жидкость).
Кинетическое горение - горение, скорость которого ограничена химической реакцией. Считается, что кинетическое горение происходит с наибольшей скоростью. Это утверждение базируется на том, что скорость химического взаимодействия, как правило, выше скорости диффузии.
Ламинарное горение - характеризуется газодинамически невозмущенным фронтом пламени [2]. Максимальная скоростьраспространения ламинарного пламени, не превышает нескольких метров в секунду. Такой тип горения зависит от теплообмена и других макрокинетических факторов.
Распространение пламени в ламинарном горении обеспечивает передача тепла и активных частиц в свежую горючую смесь. Скорость распространения пламени, измеренная по нормали к фронту, относительно свежей смеси называется нормальной скоростью распространения пламени.
В ламинарном пламени движение газов происходит в разных слоях, все процессы тепло-, массообмена происходят путем молекулярной диффузии и конвекции. Примером ламинарного диффузионного горения является пламя свечи, рисунок 1.
Основание для более детализированного изложения теории ламинарного пламени служит тот факт, что проблема ламинарного пламени по крайней мере по двум причинам считается центральной проблемой теории горения. Во - первых, это наиболее доступная из проблем горения, решение которых требует одновременного учета движения среды и химической кинетики; во-вторых, знание основных представлений и результатов теории ламинарного пламени оказывается значимым при исследовании многих других проблем горения [3].
Целью данной работы является определение нормальной скорости распространения ламинарного пламени в метано-воздушной смеси на основе трех механизмов горения с помощью численного моделирования в пакете Ansys-Fluent.
В результате проведенного исследования показано, что:
1) Механизм химического реагирования метана с кислородом по модели 3 позволяет адекватно описывать горение метано-воздушной смеси для коэффициента избытка топлива от 0.5 до 1.4.
2) Механизмы химического реагирования метана с кислородом по моделям 1 и 2, заложенные в базе данных Ansys-Fluent, качественно правильно описывают горение бедных метано-воздушных смесей.
3) Показано, что при горении метано-воздушной смеси от открытой границы канала в сторону закрытой границы, скорость движения фронта пламени относительно стенок канала достигает стационарного значения.
4) Показано, что при горении метано-воздушной смеси от закрытой границы канала в сторону открытой границы, скорость движения фронта пламени относительно стенок канала не достигает стационарного значения и возрастает с течением времени.
