Главная – Журналы – Физика горения и взрыва 2018 номер 3

Представлены результаты экспериментального исследования гидродинамики и диффузионного горения углеводородных струй. Рассмотрены режимы развития неустойчивости как в самом струйном пламени, так и внутри источника струи горючего. Опыты проведены при истечении дозвуковой газовой струи в воздушное пространство из длинной трубки диаметром 3.2 мм в диапазоне чисел Рейнольдса 200¸13500. В качестве горючего использовались пропан-бутановая смесь в опытах с холодной струей без горения, а также чистый пропан и пропан в смеси с инертным разбавителем (СО ₂, Не) для струйного пламени. Выполнены измерения средней скорости и пульсаций скорости в ближнем поле струи без горения. Из четырех режимов истечения холодной струи (диссипативный, ламинарный, переходный, турбулентный) исследованы три последних. Шлирен-методом выполнена визуализация реагирующего потока. Профили температуры в ближнем поле струи измерены с помощью Pt/Pt-Rh-термопары. В переходном режиме истечения пропана из трубки наблюдалось присоединенное ламинарное пламя. При горении смесей С ₃ Н ₈ с CO ₂ или с He в диапазоне чисел Рейнольдса 1900¸3500 переходный режим регистрировался в отсоединенном пламени. Турбулентные пятна, образующиеся в трубе в переходном режиме, оказывают существенное воздействие на положение передней кромки пламени: они могут как инициировать переход к турбулентному факелу, так и приводить к его ламинаризации.

Приведены методика испытаний конструкционных материалов на искробезопасность и результаты ее апробации на примере нескольких пар материалов и образцов горючих газов и паров. В качестве горючих газов и паров были использованы водород, ацетилен, пары бензина АИ-92, метан и сжиженный углеводородный газ, в качестве конструкционных материалов - образцы из различных видов стали, а также из алюминия и латуни.

Проведена классификация динамических задач теории горения и взрыва с позиции конкуренции характерных времен объемной химической реакции, фронтального горения, теплопередачи (теплоотдачи), истечения газа из сосуда, сжатия (движения поршня), темпа нагрева (охлаждения). Рассмотрены динамические критерии подобия как отношения характерных времен в задачах классического теплового взрыва, динамического теплового взрыва, пределов распространения пламени, горения в сообщающихся сосудах, конкуренции фронтального и объемного горения, самовоспламенения при адиабатическом сжатии, конкуренции фронтального горения и движения поршня, а также критерии подобия комбинированного типа (как функции простых динамических критериев подобия). Рассмотрена проблема самовоспламенения смеси при сжатии, предложены способ получения аналитического решения задачи и алгоритм приближенного решения на основе специального "дифференциального критерия".

С помощью модели и расчетного кода FDS численно исследованы структура и динамика естественно-конвективного турбулентного диффузионного пламени у вертикальной поверхности, на которой выделяется горючий газ. Рассмотрено пламя у поверхности, через которую с заданным расходом подается газообразный пропилен. Определены требования к размеру ячеек сетки в пристеночной области, обеспечивающему пространственное разрешение структуры пограничного слоя. Показано, что расчетное значение суммарного теплового потока на поверхности согласуется с результатами измерений. Исследование зажигания и горения вертикальной пластины полностью газифицирующегося термопластика (полиметилметакрилат) с учетом реакции пиролиза материала показало, что параметры нагревателя-воспламенителя определяют длительность начального переходного периода, но слабо влияют на скорость роста мощности тепловыделения и высоту зоны пиролиза на этапе развитого горения. Выявлено значительное влияние формы, размеров и температуры нагревателя, а также бокового захвата воздуха на скорость распространения пламени вверх по поверхности пластины и на форму фронта пиролиза. Показано, что существуют критические параметры нагревателя, разделяющие затухание и переход к развитому горению. Идентифицированы три режима распространения пламени, отличающиеся формой фронта пиролиза.

Представлены результаты экспериментального исследования пространственной структуры реагирующего потока при горении пропановоздушной смеси в турбулентной закрученной струе, истекающей в атмосферный воздух. Коэффициент избытка топлива составлял ϕ = 0.7, число Рейнольдса струи Re = 5·10 ³. Осредненные по времени пространственные распределения скорости, локальной плотности и концентрации основных компонентов газовой смеси измерены в условиях умеренной и сильной закрутки потока. В обоих случаях фронт пламени был стабилизирован во внутреннем слое смешения, сформированном приосевой областью замедления струи, где концентрировались горячие продукты горения. В случае сильной закрутки потока распределения температуры в сечении y/d = 0.5 показывают, что область с максимальной температурой газа расположена по периферии центральной зоны рециркуляции. При сильной закрутке потока на оси присутствовала зона рециркуляции и концентрация CO₂ была практически в два раза больше, чем в струе с умеренной закруткой. Противоположная ситуация наблюдалась для O₂.

Рассматриваются принципы расчетного определения характеристик как крупной, так и мелкой фракции конденсированных продуктов сгорания, образующихся у поверхности топлива и эволюционирующих в составе многофазного потока в камере сгорания. Характеристики конденсированных продуктов у поверхности топлива определяются путем моделирования процессов при их формировании с использованием системы принятия решений, базирующейся на идеологии экспертных систем. Для определения характеристик конденсированных продуктов в многофазном потоке продуктов сгорания разработана модель эволюции в условиях неодномерного течения с учетом взаимного влияния характеристик конденсированных и газообразных продуктов сгорания. Разработанные средства позволяют определять характеристики конденсированных продуктов в зависимости от состава топлива, характеристик заряда топлива и параметров камеры сгорания. Проведен параметрический анализ разработанных моделей для условий в камере сгорания.

Проведена серия экспериментов с черным некоксующимся полимером в камере пониженного давления при воздействии внешнего теплового излучения. Измерена температура поверхности и нижней части образцов, а также скорость потери массы образцов. Введен параметр T_p для описания влияния давления на температуру поверхности. При слабом внешнем тепловом потоке коксовый остаток имел рыхлую структуру с пузырьками, образовавшимися в результате выхода пиролизных газов. Размер пузырьков уменьшался с ростом давления. Параметр T_p значительно снижался с увеличением давления, снижалась также и скорость потери массы образца. Однако при интенсивном внешнем тепловом потоке коксовый остаток был более плотным и не содержал пузырьков. Величина T_p и скорость потери массы образца при этом не зависели от давления. Средняя скорость пиролиза пропорциональна p^a.

Представлены экспериментальные результаты термического разложения нитрата гидроксиламмония (НГА) в присутствии активированного угля с высокой удельной поверхностью (до 3000 м ² /г), полученного путем активации рисовой шелухи гидроксидом калия при температуре во вращающейся сферической печи 700 ºC. При добавке активированного угля температура начала разложения состава НГА снижается с 185 до 86 ± 0.5 ºC. Скорость горения НГА с добавкой активированного угля увеличивается до 400 мм/с при избыточном давлении 6 МПа. Показано, что добавление активированного угля позволяет уменьшить до 30 % количество производимых при разложении газов группы NO _x.

Представлены результаты экспериментального и теоретического исследования процессов тепло- и массопереноса, протекающих при воспламенении частиц влажной древесины в высокотемпературной газовой среде. Эксперименты проведены на установке, обеспечивающей условия, соответствующие топочным пространствам котельных агрегатов. Регистрировались основные параметры теплообмена - температура внешней среды, а также интегральные характеристики воспламенения - время задержки. Погрешность регистрации указанных параметров не превышала 18 %. Установлено, что конвективный перенос водяных паров, образующихся при испарении внутрипоровой влаги, и продуктов пиролиза не оказывает существенного влияния на характеристики и условия зажигания. По результатам экспериментов разработана математическая модель процесса воспламенения, которая описывает совместное протекание основных процессов термической подготовки в условиях интенсивных фазовых (испарение воды) и термохимических превращений (термическое разложение органической части топлива, термохимическое взаимодействие водяных паров и углерода кокса, воспламенение летучих) с учетом конвективной диффузии водяных паров и продуктов пиролиза в пристенной газовой области в период индукции. Полученное теоретически время задержки воспламенения удовлетворительно (в пределах доверительного интервала) согласуется с экспериментальным. Численная модель диффузионного пламени удовлетворительно (хорошее соответствие экспериментальных и теоретических значений времени задержки воспламенения) описывает процессы воспламенения частицы влажной древесины.

Высокая эффективность комбинированного цикла и наличие систем глубокой очистки синтез-газа перед сжиганием позволяют рассматривать парогазовые установки с внутрицикловой газификацией в качестве перспективного решения для повышения эффективности и экологичности угольной энергетики. Ключевым элементом установки является газификатор. Газификатор Mitsubishi Heavy Industries выбран в качестве исходной конструкции для модернизации, которая заключалась в нагреве дутьевого воздуха до 900 ºC и подаче пара c температурой 900 ºC. Для определения влияния модернизации на характеристики газификатора использованы нуль-, одно- и трехмерная модели. Модернизация газификатора позволила повысить тепловую мощность по синтез-газу и химический КПД с 77.2 до 84.9 %, увеличить соотношение H₂/CO с 0.34 до 0.6.

Приведен обзор некоторых исследований, выполненных в области механики реагирующих гетерогенных сред с микро- и наноструктурой в ИТПМ СО РАН. Содержится также ряд новых результатов.

Исследовано зажигание образцов высокоэнергетических материалов (ВЭМ) на основе перхлората и нитрата аммония, активного горючего-связующего, содержащих порошки Al (базовый состав), B, AlB ₂, AlB ₁₂ и TiB ₂, при инициировании процесса СО ₂ -лазером в диапазоне плотности теплового потока 90¸200 Вт/см ². Определены время задержки зажигания и температура поверхности реакционного слоя в период прогрева и зажигания ВЭМ в воздухе. Установлено, что полная замена микроразмерного порошка алюминия аморфным бором в составе ВЭМ приводит к значительному снижению времени задержки зажигания образца (в 2.2¸2.8 раза) при той же плотности теплового потока, и происходит это за счет высокой химической активности и отличия механизмов окисления частиц бора. Применение диборида алюминия в составе ВЭМ позволяет снизить время задержки зажигания по сравнению с базовым составом в 1.7¸2.2 раза. Время задержки зажигания образца ВЭМ с диборидом титана уменьшается незначительно (на 10¸25 %) относительно задержки зажигания базового состава.

Приведено описание огневых испытаний модели прямоточного воздушно-реактивного двигателя длиной 1.05 м и диаметром 0.31 м с расширяющейся кольцевой камерой сгорания, работающей в режиме детонационного горения водорода, в импульсной аэродинамической трубе при числах Маха набегающего воздушного потока от 5 до 8 при температуре торможения 290 К. Зарегистрированы непрерывно-детонационный и продольно-пульсирующий режимы горения водорода с характерными частотами 1250 и 900 Гц соответственно. Максимальные измеренные значения удельного импульса (по топливу) составили 3600 с, тяги двигателя - 2200 Н.

С использованием уравнений Навье - Стокса выполнено численное моделирование химически реагирующего газового потока в проточной кольцевой камере. Модель основана на законах сохранения массы, импульса и энергии для нестационарного двумерного сжимаемого газового потока в случае осевой симметрии с тангенциальной составляющей скорости газа. Процессы вязкости, теплопроводности и турбулентности были приняты во внимание. Горючее и окислитель подавались в камеру раздельно, и тепловыделение в зоне химических реакций во многом определялось скоростью турбулентного перемешивания газовых компонентов. Численно показана возможность детонационного способа сгорания смеси в камере. Срыв детонации может произойти вследствие временного прекращения поступления реагентов в камеру, вызванного высоким давлением в зоне реакции. При небольших длинах камеры сгорания происходят недогорание топлива и выход непрореагировавшего водорода в атмосферу.

Представлены основные технические решения по системе сжигания и конструкции топочно-горелочных устройств котлов ПК-39-IIМ и БКЗ-420-140-5 при сжигании экибастузского угля. Разработанные низкоэмиссионные схемы сжигания позволяют снизить выбросы оксидов азота как при низких, так и при высоких значениях теплонапряженности сечения топочного пространства. В основе разработанных технических решений по системам сжигания лежит математическое моделирование аэродинамики и горения угля в топках указанных котлов, проведенное в программном комплексе ANSYS Fluent.

Представлены результаты экспериментального исследования условий и характеристик зажигания суспензионных топлив, приготовленных на основе типичных отходов углеобогащения и нефтепереработки. Основное внимание уделено анализу отличий характеристик и условий зажигания органоводоугольных топлив, приготовленных с использованием отходов обогащения каменных углей: тощего, коксующегося, слабоспекающегося, жирного, газового, длиннопламенного. Установлены время задержки и минимальная (пороговая) температура зажигания исследуемых топлив. Сформулированы заключения о влиянии свойств и концентраций компонентов топлива на характеристики инициирования горения.

Редколлегия журнала «Физика горения и взрыва» с прискорбием сообщает, что 1 марта 2018 г. скончался член редколлегии журнала доктор физико-математических наук Александр Владимирович Фёдоров.