Математическая модель горения пропан-бутановой смеси при недостатке окислителя в диффузионной горелке | Статья в сборнике международной научной конференции

Библиографическое описание:

Польшиков В. Ю. Математическая модель горения пропан-бутановой смеси при недостатке окислителя в диффузионной горелке [Текст] // Технические науки: теория и практика: материалы Междунар. науч. конф. (г. Чита, апрель 2012 г.). — Чита: Издательство Молодой ученый, 2012. — С. 130-133. — URL https://moluch.ru/conf/tech/archive/7/2118/ (дата обращения: 18.09.2018).

Для идентификации процессов протекающих при сжигании топлива в горелочных устройствах необходимо спрогнозировать ход и параметры гидродинамических и тепло-массообменных процессов. Моделирование течения с горением является наиболее сложной задачей движения газа. Данная проблема может эффективно решаться в системе вычислительной гидродинамики FlowVision. FlowVision решает задачи внешней и внутренней аэро-гидродинамики, в частности, задачи диффузионного горения и горения предварительно подготовленных топливных смесей. Последнее обстоятельство является основным при выборе этой системы для моделирования процесса сжигания топливных компонент в диффузионной горелке с «реальными» размерами и расходами газов.

Виртуальный эксперимент в системе вычислительной аэро-гидродинамики, в отличие от натурных испытаний, значительно снижает трудоемкость подготовительных мероприятий, упрощает экспериментальную часть работы, более наглядно и детально раскрывает суть происходящих процессов.

Модель горения в системе FlowVision включает расчет конечно-объемным методом параметров процесса по уравнениям:

- Навье-Стокса (закон сохранения импульса);

- неразрывности (закон сохранения массы сплошной среды);

- закона сохранения энергии, записанного через энтальпию;

- переноса реагентов в приближении брутто-реакции (перенос топлива, окислителя и продуктов сгорания);

- k-&#; модели турбулентности.

Эта модель представляет собой развитие модели течения слабосжимаемой жидкости со всеми ее ограничениями, но при этом учитывается горение газовой смеси. Предполагается, что газовая смесь может быть предварительно перемешана и не перемешана. Ограничения модели предполагают течение с любыми изменениями плотности среды (однако числа Маха все равно малы – т.е. изменения плотности обусловлены только температурными эффектами или влиянием примесей в газе).

При решении задач в FlowVision дифференциальные уравнения аппроксимируются на расчётной сетке в предположении, что каждая ячейка представляет собой конечный объём, в котором скорости изменения физических величин сбалансированы потоками этих величин через грани ячейки. Для расчета используется прямоугольная сетка с локальным измельчением расчетных ячеек у криволинейных границ, кромок и граничных областей малого размера.

Решение конкретных задач во FlowVision предполагает создание трехмерной модели реального объекта во внешней системе автоматизированного проектирования (AutoCAD, ParaSolid, SolidWorks, T-Flex и др.) с последующим импортом геометрии в препроцессор FlowVision. В препроцессоре реализуется интерактивное задание граничных условий на поверхностях модели, диагностика и трансформация геометрии. Далее следуют этапы:

- выбор математической модели (в нашем случае – Модель горения);

- задание граничных условий;

- задание исходной расчетной сетки и критериев её адаптации по решению и по граничным условиям;

- задание параметров расчетного метода;

- проведение расчета (без участия пользователя);

- просмотр результатов расчета по выбранным параметрам в графической форме;

- оценка точности расчетов методом сходимости по сетке.

Блок расчета уравнений и постпроцессор (часть программы, в которой анализируются результаты расчета) объединены и работают одновременно. Это позволяет проводить моделирование и одновременно анализировать результаты, менять граничные условия и параметры математической модели.

Для моделирования процесса в диффузионной горелке с кольцевым соплом для подачи воздуха построена ее 3D-модель в системе T-Flex CAD 3D (рис. 1).

Рисунок 1 – Разрез 3D-модели диффузионной горелки



Геометрия из T-Flex CAD экспортировалась через обменный формат Stereo Lithography (stl) и подгружалась в систему FlowVision. В препроцессоре выбиралась осесимметричная задача, устанавливались начальные параметры соответствующие нормальным условиям, из стандартной библиотеки загружались свойства компонентов, подаваемых на горение (воздух и пропан-бутан), и свойства продуктов сгорания для заданной смеси, создавался фильтр одноразового зажигания в параллелепипеде и задавались граничные условия (названия границ указаны стрелками на рис. 2).

В качестве начальных значений и физических параметров модели задавались начальная температура T=293 К; давление 101325 Па; пульсация 0,03; масштаб турбулентности 0,01 м, стехиометрический коэффициент km=15,67 (для топливной смеси пропан-бутан + воздух); температура воспламенения 750 К; диапазон коэффициента избытка окислителя в котором горение поддерживается самопроизвольно &#;=0,02 – 3, выбиралась пульсационная модель химической кинетики процесса.

Рисунок 2 – Граничные условия при моделировании процесса в диффузионной горелке



Использовались следующие параметры для границ и источника зажигания в примере расчета форсированных режимов горения (с высоким выходом углеродного депозита при &#;=0,4; km=6,9):

- «Стенка» – тип границы – «Стенка», логарифмический закон изменения скорости;

- «Вход газа» – тип границы – «Вход/Выход», температура 20 оС, концентрация 1, нормальная массовая скорость 0,1139&#;10-4 кг/(м2&#;с);

- «Вход воздуха» – тип границы – «Вход/Выход»; температура 20 оС, концентрация 0, нормальная массовая скорость 0,10834 кг/(м2&#;с);

- «Выход» – тип границы – «Свободный выход»;

- «Параллелепипед зажигания» – для расчета «холодного» течения – «Неактивный», для расчета горения – «Одноразовый».

Для расчетной подобласти генерировалась начальная прямоугольная сетка с разбиением на 50 участков по координатным осям.

Процесс моделирования включал два этапа. На первом рассчитывалось «холодное» течение газовых компонент без горения. При этом обеспечивалось некоторое распределение коэффициента избытка окислителя &#; внутри горелки, при котором горючее достигает границы «Выход».

После того как было получено распределение коэффициента избытка окислителя, проводилась инициация процесса горения в «параллелепипеде зажигания» с использованием подготовленного фильтра зажигания (переключение режима «Неактивный» в режим «Одноразовый»).

Расчет проводился до стационарного состояния, которое контролировалось по погрешности основных расчетных переменных (точность расчета 10-4).

Для диффузионной горелки с заданным расходом горючего и окислителя получены распределения коэффициента избытка окислителя (рис. 3), скоростей (рис. 4) и температуры (рис. 5).

Рисунок 3 – Распределение величины коэффициента избытка окислителя &#;

в сечении диффузионной горелки



Рисунок 4 – Векторное поле модуля скорости в сечении диффузионной горелки



Рисунок 5 – Температурное поле в сечении диффузионной горелки



Анализ результатов моделирования показывает, что в горелке при раздельной подаче горючего и окислителя с заданными параметрами наблюдается неоднородное смесеобразование с коэффициентом избытка окислителя близким к стехиометрическому вблизи границы расширяющегося «конуса», образованного истекающим из центрального сопла горючим. Область богатой топливной смеси, в которой может образовываться углерод в конденсированной фазе, сосредоточена в конусе под центральной частью подложки-саженакопителя.

На векторном поле скоростей видно, что по периферии наблюдается циркуляция потока продуктов сгорания (не происходит проскок компонентов топливной смеси без реагирования). Т.е в установившемся режиме можно эффективно регулировать соотношение окислитель/горючее, варьируя их расход на входе в горелку.

На подложку-саженакопитель при заданных расходах поступают продукты сгорания с разной температурой.

Следует отметить, что при более мягких режимах горения с меньшим расходом компонентов пламя имеет фактически цилиндрическую форму от среза сопла и расширяется на конус малой высоты только вблизи подложки-саженакопителя. При этом диаметр конуса в области сечения подложки-саженакопителя зависит от расходов газовых компонент.



Литература:

1. Польшиков, В.Ю. Разработка технологии и оборудования для синтеза углеродных наноструктурных материалов в диффузионном пламени / В.Ю. Польшиков // Проблемы техногенной безопасности и устойчивого развития: сборник научных статей молодых ученых, аспирантов и студентов. Тамбов: изд-во ГОУ ВПО ТГТУ. – Вып. II. 2011 – С .202-206.

2. Борунова, А.Б. Получение углеродных наночастиц при горении метана / А.Б. Борунова, Ю.В. Григорьев, К.Я. Трошин // Горение и взрыв. – М.: ТОРУС ПРЕСС, 2008. – С. 10-13.

Основные термины (генерируются автоматически): диффузионная горелка, CAD, тип границы, распределение коэффициента избытка окислителя, математическая модель, моделирование процесса, горение, нормальная массовая скорость, параллелепипед зажигания, Модель горения.

Похожие статьи

Численное термогазодинамическое моделирование процесса...

Математическая модель горения пропан-бутановой смеси при... Модель горения в системе FlowVision включает расчет конечно-объемным методом параметров процесса по уравнениям: - Навье-Стокса (закон сохранения импульса); - неразрывности...

Математическое моделирование типовых очагов горения...

Математическое моделирование процессов горения все более часто используется в научных разработках, а также при расследовании пожаров.

Тип горения.

Математическая модель оптимизации режима горения...

процесс горения, оптимизация, математическая модель, частотно-регулируемый асинхронный электропривод, тягодутьевые вентиляторы.

Математическое моделирование процесса работы ротационного культиватора.

Физическая постановка горения пылеугольного факела в камерах...

В дипломной работе описана математическая модель процесса горения твердого топлива в камере сгорания, представлены результаты численного моделирования турбулентного горения пылеугольного факела и сделан сравнительный анализ с результатами натурного...

Обзор математических моделей рабочих процессов газового...

...зон, учета относительного движения частиц топлива и спутного газа в струе, способов описания горения топлива и образование его

Ключевые слова: камера сгорания, газовый двигатель, программный комплекс, отработавшие газы, моделирование, математическая модель...

Математическое моделирование как инструмент анализа...

Математическое моделирование типовых очагов горения... FDS, математическая модель, окружающая среда, пожар, автоматическая пожарная сигнализация, интегральная модель, массовая доля, пожарная нагрузка, полевая дифференциальная модель, CFD.

Предварительное проектирование камер сгорания...

Рис. 1. Моделирование зоны горения системой реакторов

Разработана одномерная двухслойная модель процесса в зоне горения, учитывающая обратное течение в циркуляционной зоне [5].

Численное моделирование трехмерных турбулентных струй...

Основные термины (генерируются автоматически): прямоугольная форма, длина факела, диффузионный факел, математическое моделирование.

В дипломной работе описана математическая модель процесса горения твердого топлива в камере сгорания...

Математическая модель расчета содержания оксидов азота...

В данной статье рассмотрена математическая модель расчета содержания оксидов азота в цилиндре дизеля 4 ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ при работе на природном газе.

На рис 1 показана схема горения капли ДТ в турбулентном потоке МВВ с избытком окислителя.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle

Похожие статьи

Численное термогазодинамическое моделирование процесса...

Математическая модель горения пропан-бутановой смеси при... Модель горения в системе FlowVision включает расчет конечно-объемным методом параметров процесса по уравнениям: - Навье-Стокса (закон сохранения импульса); - неразрывности...

Математическое моделирование типовых очагов горения...

Математическое моделирование процессов горения все более часто используется в научных разработках, а также при расследовании пожаров.

Тип горения.

Математическая модель оптимизации режима горения...

процесс горения, оптимизация, математическая модель, частотно-регулируемый асинхронный электропривод, тягодутьевые вентиляторы.

Математическое моделирование процесса работы ротационного культиватора.

Физическая постановка горения пылеугольного факела в камерах...

В дипломной работе описана математическая модель процесса горения твердого топлива в камере сгорания, представлены результаты численного моделирования турбулентного горения пылеугольного факела и сделан сравнительный анализ с результатами натурного...

Обзор математических моделей рабочих процессов газового...

...зон, учета относительного движения частиц топлива и спутного газа в струе, способов описания горения топлива и образование его

Ключевые слова: камера сгорания, газовый двигатель, программный комплекс, отработавшие газы, моделирование, математическая модель...

Математическое моделирование как инструмент анализа...

Математическое моделирование типовых очагов горения... FDS, математическая модель, окружающая среда, пожар, автоматическая пожарная сигнализация, интегральная модель, массовая доля, пожарная нагрузка, полевая дифференциальная модель, CFD.

Предварительное проектирование камер сгорания...

Рис. 1. Моделирование зоны горения системой реакторов

Разработана одномерная двухслойная модель процесса в зоне горения, учитывающая обратное течение в циркуляционной зоне [5].

Численное моделирование трехмерных турбулентных струй...

Основные термины (генерируются автоматически): прямоугольная форма, длина факела, диффузионный факел, математическое моделирование.

В дипломной работе описана математическая модель процесса горения твердого топлива в камере сгорания...

Математическая модель расчета содержания оксидов азота...

В данной статье рассмотрена математическая модель расчета содержания оксидов азота в цилиндре дизеля 4 ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ при работе на природном газе.

На рис 1 показана схема горения капли ДТ в турбулентном потоке МВВ с избытком окислителя.

Задать вопрос