Тема: Математическое моделирование распространения пламени

В современном мире исследование процесса горения является одной из важных задач в науках, таких как: физика и химия. Процесс горение используется в различных промышленных отраслях, таких как воздушный и наземный транспорт, теплоэнергетика, атомная энергетика, так как может использоваться как основной источник энергии. Так же на производствах зачастую используются технические процессы, связанные с горением.
Горение - это один из сложных физико-химических процессов, которое обуславливается быстрой экзотермической реакцией, протекающей в условиях прогрессивного самоускорения, за счет сгорания вещества в окислителе, превращая их в продукты сгорания. Данный процесс протекает при больших температурах, свыше 1000К, сопровождается пламенем, которое мы видим, пламя обосновывается тем, что продукты реакции нагреваются, а также большим выделением тепла. Концентрации горючего и окислителя определяют возникновение и период до начала самого горения.
Результаты написанной работы касаются воспламенения водорода, так как на данный момент времени он является одним из перспективным химическим элементом. Водород исследуется для того, чтобы в обозримом будущем использовать его для силового агрегата машин с ДВС и для космических ракет в качестве горючего, так как в ходе взаимодействия водорода с кислородом выделяется большое количество энергии, а продуктом их взаимодействия является вода, которую возможно преобразовать обратно в водород. Горение водорода - является одной из простых реакцией горения, но часто возникает вопрос о периоде воспламенения водорода, а также о том, как изменятся параметры при различных начальных данных. Следом за этим возникает вопрос о безопасном хранении водорода и для того, чтобы это обеспечить, необходимо исследовать сам процесс горения. Для этого существует несколько методов: первый из них - экспериментальный метод, второй - математическое моделирование.
Экспериментальный метод подразумевает под собой создание лаборатории или модель данной установки, то есть исследуемую модель, а также создание условий, в которых необходимо изучить поведение данного объекта. Необходимо помнить, что результаты данного метода говорят о поведении только в условиях, в которых был поставлен эксперимент. Таким образом для того, чтобы вывести какую-то закономерность горения и говорить о том, как может протекать процесс в различных обстановках необходимо провести серию опытов. Такой подход является очень трудозатратным. Второй причиной, по которой данный метод мало подходит для исследования реакции горения, является то, что водород при больших концентрациях и объемах обладает большим запасом энергии, поэтому данные эксперименты проводить опасно.
Второй метод - математическое исследование, которое основывается на построении математической модели процесса и решение задач путем численного моделирования. Трудность метода заключается в подборе приближенной математической модели, чтобы она описывала процессы достаточно близко к аналитическому решению.
В данной работе используется второй метод исследования.
По данной тематики имеется много работ. В работе [1] исследовалось то, как состав горючих смесей, состоящих на основе водорода, может влиять на режимы воспламенения и горения. Автор работы определяет нижнее значение концентрации водорода, а также температуру для устойчивого горения смеси, основанных на нем.
Это связано с тем, что концентрации смеси, состоящей из горючего и окислителя, описывают состояние самой смеси и определяют условие возникновения горения или взрыва, а также режим протекания процесса.
Результаты расчётов данной работы говорят о том, что содержание 4% водорода при нормальных условиях и температуре поджога порядка 103^ характеризует нижний предел для того, чтобы был устойчивый процесс горения, но данный процент не способен обеспечить самоподдержание процесса, так как реакция в этом случае затухает, а это значит, что данный процент не может являться нижним пределом. При дальнейших расчетах было выявлено, что при концентрации 10% реакция способна саподдерживаться, следовательно, данную концентрацию можно считать за нижний предел.
Вторая работа [2] написана с целью численного исследования с возможностью ускорения горения и скорости распространения пламени в смесях на основе водорода и метана. Так как в последнее время возрастает спрос к применению физического воздействия на реагирующую смесь для ускорения процесса. Для этого автор статьи разрабатывает детальные кинетические модели окисления водорода и метана, находящихся в воздухе, при различных параметрах газовой смеси, изучает механизмы развития цепного процесса в них.
Третья работа - моделирование горения в двигателях на водороде [3]. В статье представлены результаты разработки верификации и валидации математической модели, позволяющей моделировать нестационарные процессы воспламенения и горения в ОЗУ или импульсных детонационных двигателях.
Одна из особенностей водородно-кислородного ракетного двигателя заключается в следующем. При впрыске жидких компонентов топливо (водород), имеющее более низкую критическую температуру, предварительно испаряется и предварительно нагревается в камере сгорания, тогда как кислород может быть жидкостью, а затем испаряться внутри камеры. Таким образом, в отличие от большинства типов двигателей водородный двигатель имеет обратную смесь, поступающую в камеру сгорания, в которой топливо является газообразным, а окислитель - жидким.
В рамках работы при реализации модели был использован кинетический механизм, состоящий из 19 реакций.
В данной работе была решена задача в трубке длиной 600 мм и диаметром 20 мм после слабого воспламенения в левой части. Состав смеси в трубе H2:O2:N2 = 2:1:4. В результате был получен график профиля давления на разные моменты времени, рисунок 1....
Купить

В ходе работы была изучена литература, по исследуемой тематики.
Разработан и реализован численный алгоритм, позволяющий рассчитывать, как газодинамические, так и химические процессы. Полученные результаты совпадают с результатами, представленными в научной литературе. Решение таких задач (численное моделирование) позволяет проводить расчеты в широком диапазоне начальных параметров в отличии от экспериментов. Поэтому численное моделирование таких задач является актуальным.
Разработан алгоритм для газовой динамики и для химии отдельно. Написанный алгоритм был протестирован на двух тестовых задачах для газодинамического модуля и на одной задаче для химического модуля.
Далее модуль химической кинетики был интегрирован в модуль МКЧ для того, чтобы решить поставленную задача: горение водорода в трубе. Модуль так же был протестирован тестовой задачей.
После решения тестовых задач была решена поставленная задача. При решении был построен график зависимости от температуры на разные моменты времени, а также были построены графики концентраций, участвующих веществ в процессе.
Правильность написанного алгоритма после внедрения химической кинетики в газодинамическую часть не был сверен с экспериментальными данными или с данными работ, так как работы, опубликованные в данной сфере, решаются на двумерной сетке, данная задача реализована на одномерной сетке.
Купить