автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Моделирование процессов самовоспламенения и горения в ограниченных объемах и двигателях внутреннего сгорания

 «»о

аг>

Я?

о

а_

сг

/о

о«

На правах рукописи

СЕНАЧИНПавел Кондратьсвич

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ САМОВОСПЛАМЕНЕНИЯ И ГОРЕНИЯ В ОГРАНИЧЕННЫХ ОБЪЕМАХ И ДВИГАТЕЛЯХ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Специальности: 05.04.02 - тепловые двигатели, 01.04.14 - теплофизика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Барнаул 1998

Работа выполнена в Алтайском государственном техническом университете И.И. Ползунова.

Научные консультанты: д.ф.-м.н., профессор Бабкин B.C.,

Официальные оппоненты: д.т.н., профессор, Лебедев О.Н. (Новосибирская го сударственная академия водного транспорта);

д.т.н., профессор Баев В.К. (Институт теоретичес и прикладной механики СО РАН, г. Новосибирск);

д.ф.-м.н., профессор Гусаченко Л.К. (Институт хи; ческой кинетики и горения СО РАН, г. Новосибирск).

Ведущая организация: Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева РАН (г. Новосибирск).

Защита состоится "28" апреля 1998 г. в "12" час. на заседании диссертации ного совета Д 064.29.01 при Алтайском государственном техническом универ тете им. И.И. Ползунова в конференцзале по адресу: 656099, г. Барнаул, пр. Ла на, 46.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке АлтГТУ.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью Вашего ; реждения, просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретг диссертационного совета.

Автореферат разослан "_" марта 1998 г.

д.т.н., профессор Матиевский Д.Д.

Ученый секретарь диссертационного t совета Д 064.29.01, д.т.н., профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Моделирование процессов самовоспламенения и горения ззрыва) гомогенных газовых смесей и моторных топлив в ограниченных постоянных и пере-[енных объемах сложной геометрии представляет собой фундаментальную задачу, решение оторой имеет теоретическое и практическое значение для изучения закономерностей горения целью повышения надежности, экономичности и экологической безопасности транспортных вигателей внутреннего сгорания (ДВС).различньгх типов, а также обеспечения пожаровзры-обезопасности сосудов и реакторов химической и газовой промышленности, шахтных объек-ов и оборудования, объектов традиционной и атомной энергетики, новой авиационной и кос-[ической техники. Аварийное воспламенение и последующее горение (взрывы) газовоздуш-ых смесей в промышленности наносят большой материальный ущерб обществу и нередко риводят к человеческим жертвам. Теория внутреннего взрыва заложена в работах Нагеля \>agel А., 1908), Фламма и Махе (Flamm L., Mache Н., 1917), Льюиса и Эльбе, Поста, Фиока и ругих. В последующие годы ей было посвящено большое количество экспериментальных и горетических работ, однако многие проблемы до сих пор не решены. Современные методы асчета и соответствующие конструктивные и профилактические мероприятия еще не позво-яют полностью исключить условия, при которых возможны воспламенения и взрывы горю-их смесей в неконтролируемых условиях. Моделированию и оптимизации рабочих процессов ДВС посвящены работы многих отечественных и зарубежных ученых. Однако, что касается роцессов самовоспламенения и горения в ДВС, а также экологических задач, применительно использованию как традиционных нефтяных так и новых перспективных топлив, то матема-ические модели и соответствующие методы расчета в настоящее время разработаны недоста-очно. Особенно следует отметить важнейшую проблему жесткого сгорания или "стука", на-людаемого в ДВС с искровым зажиганием при форсированных режимах работы.

Основной целью работы является развитие существующих представлений о процессах амовоспламенения и горения газовоздушных смесей (в том числе новых и перспективных то-лив) в ограниченных объемах сложной геометрии и ДВС и разработка математических моде-сй, учитывающих многозонность рассматриваемых процессов, а также аналитическое, чис-енное и экспериментальное исследование этих процессов, направленное на решение ряда тео-етических и практических задач теории горения.

Научная новизна.

Разработаны обобщенные уравнения динамики взрыва газа в ограниченном объеме, в том и еле для вращающегося газа, предложены и обоснованы полуэмпирический метод моделиро-шия динамики взрыва газа в реальных закрытых аппаратах и метод расчета динамических ха-акгеристик процесса. Полученные решения в обобщенном виде описывают динамику сгора-ия смеси (массовую долю), динамику давления, координату пламени и пять скоростей на роите пламени, поля скоростей (ускорений) и температур (плотностей) свежего газа и проектов горения при распространении одномерных пламен.

Выполнено одно из первых систематических экспериментальных исследований взрыва иа в сообщающихся сосудах, разработана математическая модель процесса и объяснен эф-ект аномально высокого давления. Проведены экспериментальные исследования горения газа линейных системах сообщающихся сосудов при больших блокадных отношениях и обнару-ен стационарный режим распространения переднего фронта пламени. Предложенные матема-1ческие модели удовлетворительно описывают различные режимы горения.

Впервые сформулирована физическая задача и разработана математическая модель про-;сса объемного самовоспламенения газа перед фронтом пламени в закрытом сосуде. Получе-э аналитическое решение задачи, приводящему к критическому условию самовоспламенения, редложен и обоснован дифференциальный критерий самовоспламенения и разработан алго-

ритм решения общей задачи о самовоспламенении газа при адиабатическом сжатии. Разр таны математические модели и решены задачи о самовоспламенении газа перед фроютм мени в сообщающихся сосудах и экзотермических смесей в адиабатической пушке со сво ным поршнем (и рассмотрена обратная задача).

Сформулировала и теоретически обоснована гипотеза о природе стука или детонаш ДВС с искровым зажиганием как проблема конкуренции процессов фронтального и объем; горения, разработана математическая модель и аналитически решена задача о самовосплам нии (приводящем к стуку или детонации). При численном моделировании пределов стука детонации и обнаружен полуострова самовоспламенения. Разработана математическая мод самовоспламенения смеси перед фронтом пламени в ДВС с искровым зажиганием на ос! приближения детальной кинетики химических реакций (для смесей изоокгана и н-гепта? воздухом).

Разработаны математические модели для расчета и моделирования задержки восплам! ния топлива в дизеле и газодизеле как задачи о периоде индукции динамического теплов взрыва. Сформулирована гипотеза о причине жесткой работы газодизеля и разработана м; матическая модель для задачи о самовоспламенении локального объема на заключитель стадии горения.

Выведены уравнения для массовой доли продуктов горения е открытой системе и в общающихся сосудах и уравнения энергии для многозонной модели процессов фронтальног объемного горения газа в замкнутом объеме и ДВС. Разработаны математические модели п цесса сгорания смеси в ДВС с форкамерным зажиганием (на основе закономерностей взр! газа в сообщающихся сосудах) и процесса сгорания смеси в ДВС с искровым зажигание! учетом равновесного состава продуктов горения в рамках многозонной модели, позволякн прогнозировать выбросы вредных веществ.

Разработаны замкнутые математические модели и исследованы особенности динаш сгорания смеси в ДВС с искровым зажиганием и экономических показателей цикла при р личных законах изменения поверхности пламени и камерах сгорания с различной реалы геометрией, а также с учетом процессов конвективного и радиационного теплообмена свей смеси и продуктов горения с ограждающими поверхностями различной температуры.

Практическая ценность. Разработаны математические и физические методы моде! рования процессов горения в замкнутых объемах сложной геометрии с целью прогнозировав аварийной ситуации в различных реальных объектах, в том числе в сообщающихся сосуда) многокамерных системах. Сформулирована и обоснована гипотеза о природе стука или дет нации в ДВС с искровым зажиганием как проблеме конкуренции процессов фронтальной: объемного горения. Математические модели процессов самовоспламенения и горения в ДВ( искровым и форкамерным зажиганием, дизелях и газодизелях и результаты исследования л гут быть использованы при создании новых конструкций и совершенствования серийных д[ гателей и для разработки детализированных математических моделей рабочих процессов с I лью повышения надежности, экономичности и экологической безопасности транспорта ДВС. Результаты исследования были использованы при разработке ГОСТа, подготовке уч< ных курсов в Алтайском государственном техническом университете им. И.И. Ползунова I Новосибирском государственном университете и легли в основу написания учебного пособи?

Апробация работы. Результаты исследования докладывались на Объединенном сем наре по горению и аэрозолям Института химической кинетики и горения СО АН СС( (Йовосибирск, 1979-1997), II Всесоюзном научно-техническом семинаре "Сжигание топлие минимальными вредными выбросами" (Таллин, 1978), VI Международном симпозиуме 1 процессам горения (Карпач, Польша, 1979), VI и VII Всесоюзных научно-практических конф ренциях "Горение и проблемы тушения пожаров" (Москва, 1979 и 1981), Всесоюзной научн

.хнической конференции "Проблемы взрывобезопасностн технологических процессов" "еверодонецк, 1980), Международном симпозиуме Евромех-139 "Неконтролируемые взрывы промышленности" (Обериствис, Великобритания, 1981), Научной конференции посвященной 0-летию Алтайского университета (Барнаул, 1983), Международном семинаре "Атомно-одородная энергетика и технология" (Москва, 1984), VIII Всесоюзном симпозиуме по горе-ию и взрыву (Ташкент, 1986), XXI Международном симпозиуме по горению (Мюнхен, ФРГ, 986), Всесоюзной конференции "Теплообмен в парогенераторах" (Новосибирск, 1988), ХШ 1еждународном коллоквиуме по динамике взрывов и реагирующим системам (Нагойя, Япо-ия, 1991), Юбилейной научно-практической конференции посвященной 50-летию Алтайского олитехнического института (Барнаул, 1992), Международной научно-технической конферен-ии "Совершенствование быстроходных дизелей" (Барнаул, 1993), Международной научной энференции 'Экономика и экология: антагонизм или сотрудничество" (Барнаул, 1994), Меж-^народной научно-технической конференции "Совершенствование рабочих органов сельхоз-ашин и агрегатов" (Барнаул, 1994), Международной научно-технической конференции вузовская наука на международном рынке научно-технической продукции" (Барнаул, 1995), (ежвузовской научно-практической конференции "Транспортные средства Сибири. Состояние проблемы" (Красноярск, 1995), III Международной школе-семинаре 'Эволюция дефектных груктур в конденсированных средах" (Барнаул, 1996), Всероссийской научно-технической энференции 'Экспериментальные методы в физике структурно-неоднородных сред" (Барнаул, ?96), 53-й и 55-й научно-технических конференциях Алтайского государственного техниче-сого университета (Барнаул, 1995 и 1997), V и VI Международных научно-практических се-инарах "Совершенствование мощностных, экономических и экологических показателей ДВС" ¡ладииир, 1995 и 1997), XI Симпозиуме по горению и взрыву (Черноголовка, 1996), Между-ародной научно-технической конференции "Двигатель-97" (Москва, 1997) и Объединенном :минаре институтов СО РАН по проблемам горения (Новосибирск, 1998).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 66 печатных работ, в том числе 35 атей и учебное пособие, написан научно-технический отчет и получены два авторских свиде-льства на изобретения. Еще в трех учебных пособиях рассматриваются диссертационные ма-риалы. Основное содержание диссертации отражено в 50 работах, список которых приведен конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, щека литературы и приложения. Всего 396 страниц, в том числе работа содержит 270 маши-тисных страниц основного текста, 10 таблиц, 56 рисунков, приложение и библиографию, лючающую 499 источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении даны краткий обзор современного состояния рассматриваемых проблем и аткая характеристика работы, обоснована ее актуальность, сформулированы цель и задачи следования, показаны научное и практическое значения диссертационной работы. Работа едполагала постановку, рассмотрение и анализ следующих фундаментальных и прикладных цач:

- разработка наиболее строгих уравнений, описывающих различные динамические харак-ркстикн взрыва газа в ограниченном объеме в одномерном приближении, их аналитическое шсленное решение и анализ;

- разработка теоретических основ физического моделирования динамики взрыва газа в раниченном объеме и соответствующих методов расчета;

- проведение систематических экспериментальных исследований, построение математикой модели и объяснение эффекта аномально высокого давления при горении газа в сооб-иощихся сосудах;

- построение математических моделей и экспериментальное исследование режимов и < новных закономерностей горения газа в линейной системе сообщающихся сосудов (при бoJ ших блокадных отношениях);

- установление закономерностей процесса объемного самовоспламенения газа пер фронтом пламени в закрытых сосудах и при адиабатическом сжатии;

- выявление причин явления стука или детонации в ДВС с искровым зажиганием пут разработки математической модели, численного моделирования и теоретического анализа основе гипотезы о конкуренции процессов фронтального и объемного горения;

- разработка математических моделей для расчета и моделирования задержек восплаи нения топлива в дизеле и газодизеле, а также разработка физической и математической мо; лей для задачи о жесткой работе газодизеля на заключительной стадии процесса горения;

- разработка математической модели процесса сгорания смеси в ДВС с форкамерным : жиганием,

- разработка математической модели процесса сгорания смеси в ДВС с искровым зажш нием с учетом равновесного состава продуктов горения с целью снижения выбросов вредн веществ в атмосферу,

- разработка математических моделей процесса горения смеси в ДВС с искровым зажи! нием и исследование динамики сгорания при различных законах изменения поверхности ш мени и в камерах с различной реальной геометрией с целью оптимизации рабочего процесса.

1. ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЗРЫВА ГАЗА В ОГРАНИЧЕННОМ ОБЪЕМЕ

На основе единого методического подхода в строгой постановке рассмотрены динами1 ские характеристики горения (взрыва) газа в ограниченном объеме при распространении одр мерных пламен, которые можно рассматривать как модельные для многих процессов горен газа в закрытых системах.

Рассмотрены соотношения на фронте пламени в различных системах координат, вьг кающие из условий Ренкина-Гюгонио. Выведены соотношения для массовой доли продут горения пь, которые, с учетом тсе — 1 = Y^>{Ei — 1), могут быть записаны в виде

пь = + т"-"-1)^ - IX/, - 1 )]/с,

1 -пь=(ле- тг)/{же -1-е), С= (л1-1"' - ])(уи - уь)1(уи - 1)

Последнее уравнение является ;ге-аналогом предыдущего Е1 -уравнения (здесь 7Ге ,Е1 - мак< мальное давление взрыва и коэффициент расширения продуктов). Комбинируя эти уравнен получим соотношения

1 - пь = (яе - к)Д*1"1 ч;), 1 -пь= {ке - я)/(гге - 1),

известные в литературе как соотношения Фламма и Махе (первое) и Льюиса и Эльбе (вторе При других допущениях (подобных гипотезе Иоста, Льиса и Эльбе о сохранении внутренг энергии на фронте пламени) из основных уравнений могут быть получены практически все 1 весгные в литературе соотношения для доли сгоревшего заряда. Из приведенных формул с.

ет, что доля продуктов взрыва не зависит от симметрии и типа пламени, формы и размера суда, координаты точки (положения точек) зажигания. Поэтому и объем продуктов взрыва ладает теми же свойствами. Что касается координаты пламени, то, очевидно, она зависит от

геометрии и типа пламени Ду = (1/2 — а/2 + СХСО^ и для расходящихся и сходящихся

мметричных пламен имеем (при ук ^ уи и у ь — у и)

Я} = (1 + а)/2 - ал'1 г" {ле - х)/(яе -1 - С),

Я} = (1 + а)/2 -ал'1 7> (ле - к) ¡{к, - 1).

Получены обобщенные уравнения динамики одномерных пламен в замкнутом объеме 1 различных видов симметрии и направления распростра-нения пламени, описывающие :совую долю продуктов горения, видимую (пространственную) скорость пламени, средние тения плотности и темпера-туры продуктов взрыва и текущее давление, например, имеем |внения динамики выгорания заряда (в ле -форме и Е- -форме)

с!пь ¡(¡Г = ^г- [(1 + а}/2 - ал'1(*-. - *)/(*« - 1 - С')]М \

йпь с + а -1г. -О-^-1)]' ^ —- = г6„,тг ■"--ал 7" —— ч --

ннамики давления (при уь Ф уи и уь = уя)

^ у{ле - 1 ■- су ^[(1 + а) 2 - ая-' (ле - л) (ле -1 - С)]'"'"

йл у ч , г+£(\ + а _, л.-л~\

— = у4л,-1)л"г"--ал 1г"~-

йт К е 1 12 ле-\)

|ффициент расширения продуктов (при уь ^ уи и уь — уи) и видимая (пространственная) рость пламени запишутся

¿7=1 + \{яе -1) /„ ]/[ 1 - (1 - У» 7„У1г' (пе -л) (ле-1 - С)),

Е; =\ + {ле!Л-])1уи,

8Г = = аЕг ¿'„Д,, .

Решение этих уравнений с краевыми условиями Т = 0, Л = 1; Т ~ Те , Ле - Л дает эмую функцию . Соответствующие Е, -уравнения (при уь ^ уи и уъ ~ уи), с :вые условия г = О, /Т = 1; х —1е, 7Г ~ \ + Уь(Е, — 1), именгт вид:

с!л 1 + « 7г + 1 -т7

¿г 1-0 ~7ь:Уи) Я-Чт. 1)-с]

с1тс 1-7« (£, - 1 + а -ал' ^уь(е(- 1)-яг + г 1-1.ч-

с1г 2

Приведенные уравнения получены в наших работах, тогда как в литературе изеест только приближенные уравнения и только для а — 1, V = 3. Эти уравнения име аналитические решения во всем диапазоне изменения давления при условии уъ — Уи — е = 0, однако применимость этих решений весьма ограничена. При уь ~'/и они допуска приближенное аналитическое решение на начальной стадии прцссса, а при V = 1 они им« решение для всего процесса

*=[1+о-1 /^-^-'Н10"1^

В общем случаех уравнения динамики решаются численно, при этом необходимо зна нормальную скорость пламени и ее зависимость от давления и температуры Исследова! особенности динамики процесса сгорания, и прежде всего динамики давления, при различи] законах изменения поверхности пламени.

Проведена классификация уравнений динамики по входящим термодинамическим г раметрам Б1 и ле и по основным предположениям относительно теплоемкостей свежего га и продуктов горения. Рассмотрена динамика процесса на начальной и заключительной стади горения и получены частные решения уравнений динамики. Например, при сферическом рс ходящемся пламени на начальной стадии процесса для прироста давления (и других динамич ских характеристик) имеет место "закон куба"

Л--1-Г„е!(Я, - 1)г3, а„=1 + Е?(Я, - 1)г3, пь=Е?т\ А, =Я(3т3/[1 + £|2(£(-1)г3].

Для плоских и цилиндрических расходящихся пламен соответственно на начальной ст дни справедливы "закон пропорциональности" и "закон квадрата"

* -1 = Г „ (Я,- - 1)г, я~\=гЛ {Е, ~ 1У.

Соотношение для максимальной скорости нарастания давления, вытекающее из уравн ния динамики при К -- Я"с,

(Лг/*г), = - 1 - (л?г- - \)(уи -уь)/{уи - 1)]

справедливо для всех одномерных пламен, кроме сходящихся сферических и цилиндрически для которых {с!л/(1т) = 0. Характерное время заключительной стадии (наиболее интенси

ного нарастания давления) можно определить как Г, = [ие — ^/(¿/дуЛ) для углеводоро, ных лламен = 1/(3/Г^. Интересно, что отношение продолжительности заключительно стадии к полному времени взрыва сильно зависит от кинетического параметра . (комбинированного показателя степени в зависимости нормальной скорости от текущего да! ления) и слабо - от конечного давления тие.

На основе одновременного рассмотрения переменных эйлера и лагранжа получен обобщенные соотношения, описывающие распределения скоростей (ускорений) газа и темп! ратур (плотностей) при распространении одномерных пламен в замкнутых объемах. Так, н; пример, в свежем газе температура и плотность распределены равномерно для всего объем занимаемого газом, а в продуктах горения распределения зависят от эволюции конкретны элементов газа. Исследована динамика этих распределений в процессе горения (взрыва) газ: включая распределения скоростей на фронте пламени и эволюцию элементарного объема све жей смеси в процессе горения. Исследована природа Махе-эффекта, которая также зависит с

1В0ЛЮЦИИ элементарного объема газа. Лагранжева £ = 1/а и эйлерова к — г/а координаты тределяют расстояние до элемента газа в начальный и текущий моменты времени соответсг-1ешю, связь между ними для свежей смеси (индекс и) и продуктов горения (индекс Ь) суть

4=0- а)!2 + [а - ((1 + а)/2 - ^/я^"'»

! свежем газе температура и плотность распределены равномерно

ви{ж) = 7Ти'Г\ <7, в продуктах взрыва распределения описываются уравнениями

= +(К»г. _ 1)(1-1 ,,)/(!-1 7„)],

(с Я]- - давление при котором данный элемент газа сгорает на фронте пламени (аналог ла->анжевой координаты ) лу = 1 + — ])|(1 — а)/2 + ¿ГС1|. Градиент температуры в про-'ктах взрыва (Махе-эффект) может достигать сотен градусов и расчитывается по формулам:

1X1-1 У»)

ь- ' е ^ ' (1-1.Г.)

Скорости на фронте пламени (индекс /) и в объеме свежего газа (индекс и) и продуктов рения (индекс Ъ ) как функции эйлеровой или лагранжевой координаты описываются урав-ниями

(1 + а)Г2-Г 0 -а)И-К йк

м, -£- ЛС--ц, =\-/--------

уУи^К <Ь УУь<Ь

[(1 + а)/2 - 1л-'1-1 у" {йк (1т)

ц, —-1-^-------

^„[0 + «)/2 - я-У-((1 + а)!2 - ^ "'

Исследовано распределение тангенциальных скоростей при горении сходящегося 1; хо-дящегося пламени во вращаю-щемся газе. Показано, что в расходящихся пламенах тан--циальная скорость во всех точках сосуда меньше, а в сходящихся больше, чем в тех же ках при вращении в отсутствии горения. При этом распределения радиальных скоостей по-!но распределениям в горящем газе при отсутствии вращения.

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ ВЗРЫВА ГАЗА В ОГРАНИЧЕННОМ ОБЪЕМЕ

Рассмотрены вопросы физического моделирования аварийной ситуации, связанной с запным воспламенением и последующим горением (взрывом) газа в замкнутых объемах на ове динамики распространения пламени в сферическом сосуде с центральным зажиганием.

Показано, что после записи основных уравнений динамики процесса в обобщенном виде приобретают вид комплексов подобия

dKjdt - Т\1{ж,ле,уи,уь,е), S =П-(г ^

dÁf/dT = n4(¡T,Tre,ru,rb,s), Áf =П5(тг,лге,ги,гь,£),

Т=иб(л,7Ге,Ги,Гь,£) и в силу П-тсоремы их комбинации также являются комплексами подобия:

(<af dr)/sur = П4/П3= П7(;г,;ге,г„>п), г/л-dnг dr = П2П6 n = \\(x,xe,yu,yh,£), Af/Surz-dx ¿/г = П2П5 лП3 = n9(x,xe,y„,yb), dX{ =П2П5/яП4 =Пw{n,7Teju,yb), zjXr-dXf Л- = П,П6 П5 = П 13(тг,7Ге,у,,у6,£).

Становится очевидным, что основные безразмерные характеристики процесса опре, ются небольшим числом термодинамических {ж,Пе ,уи и кинетических (¿г) парамег Отсюда следует принципиальная возможность физического моделирования динамики вну] него взрыва, например, скорости нарастания давления в натуре (индекс 2) и модели (инде: при любых значениях p,a,Su, но одинаковых значениях 71,7tе ,уи ,уь ,£', при соблюдени ловия (d/r/dг) = idem или в размерном виде

(dp/dt)2 = а,/а2 -S^/S^ ■ p,-2/pn(dp/dt\

В работе найдены определяющие параметры процесса и построены ochoi безразмерные комплексы подобия, исследованы их свойства и эволюция в процессе горе На начальной стадии процесса приближенное решение уравнения динамики является хоре аппроксимацией численного решения не только в случае yt — уно и при уь к]

того не содержит кинетического параметра с. Поэтому можно, во-первых, представить ф ции П6,П8,П13 и некоторые другие в явном виде и, во-вторых, записать новые комплек меньшим числом переменных, например, комплекс П6 теперь запишется

Отсюда следует кубическая зависимость прироста давления от времени, рссматрива! некоторыми авторами как универсальная и справедливая при больших Я", то

р— p¡ =.tk ,k = 3. В действительности она применима в общем случае только на начал!

стадии и при а = 1, V— 3. Заметим, что показатель к может быть представлен моднфикаг

комплекса П8

к = t/(p-pi)-d(p~pi)/dt = r/(/r- \)-dnfdz = я-/(я-- 1)-П8(я-,яе,уи,уь,е). Средняя и максимальная скорости нарастания давления связаны соотношением

, (dK¡dr)t = 3{же -1 )х] ^ = xeUSe Цтг -1). (dji dr) = П8е {dn¡dv), где П8е = ns(7re). Откуда имеем выражения для полного времени взрыва

= {р. - Pi)!(dp: dt) = (a/3S„ -1)

i для времени заключительной стадии горения

<s = = (ле -1 )/{леП%е) = tjn%e .

комплексы П8,П,0,П|3 интересны как показатели степени в зависимостях р Sí'1', ~> = Я"10, Ау = Iй" и не зависят от размера сосуда а, нормальной скорости пламени S„, и ачального давления р,. Комплекс П7 характеризует текущую степень расширения продуктов зрыва hj, в ходе процесса функция П7 изменяется от П7 = 1 + {jic — tyj/¡, до П7 = 1 и г зависит от скорости горения. Комплекс П6 при л = Ле, то есть ге = П6е(ле ,уи ,уь ожно рассматривать как отношение нормальной скорости пламени в начале процесса S ¡ к >едней скорости распространения пламени (Sj ^ = a/te или как отношение продолжительно-и процесса взрыва Iс к времени сгорания смеси с начальной скоростью I ■ = a/Sul . Откуда [едует, что в двух разных по объему сосудах при Su¡ = idem выполняется соотношение 11а\ - 1е2 !аг ■

Рассмотрена проблема взрыва газа в сосуде несферической формы. Показано, что скости нарастания давления в несферическом (индекс и) и сферическом (индекс с) сосудах свя-ны соотношением

{dp dt)J{JP dt)c^Kf{PlSui a)J{PlSu¡ a\,

e Kj- — FH/FC- фактор формы сосуда (зависящий от текущего давления), ая = (ЗКМ/4П)'' -вивалентный радиус несферического сосуда (равного по объему сферическому), П = 3,14.... начале процесса Кj- — 1, а в конце Kj- равен отношению площадей внутренних поверхно-:й сосудов в сравниваемых процессах (для куба Kj- = 1,24). Для моделирования процесса ерическим сосудом не требуется геометрическое соответствие модели и объекта (натуры), ш известен форм-фактор Á'y, но требуется теоретическое или экспериментальное определе-

a Kj- в зависимости от текущего давления.

Рассмотрена проблема моделирования динамики тубулентиого взрыва газа в реальных-рытых аппаратах. Отмечено, что в настоящее время большой прогресс достигнут при чистом моделировании в задачах с нереашрующими потоками и определенные успехи имеют-в задачах, рассматривающих течения с химическими реакциями. Решения получены на ос-se замыкания уравнений Навье-Стокса предположением Буссинеска о градиенте переноса я скалярных турбулентных значений вязкости и теплопроводности) в рамках двухпарамет-[еской к — £ модели турбулентности (связывающей турбулентную кинетическую энергию и скорость ее диссипации £), рассмотренной Рейнольдсом, Споддингом и другими. В хи-{ески реагирующих системах необходимо учитывать выделения энергии и локальные изме-ия плотности среды, требующие применять осреднение величин в уравнениях сохранения (в ;ках микрокинетического подхода для каждой компоненты). Поэтому расчетные статиче-е модели , типа"£ — £", применительно к сложным практическим системам и особенно к гационарному турбулентному взрыву малоэффективны.

В работе предпринята попытка связать динамические характеристики процесса с кинети-■снми и 1урбулентными характеристиками свежей смеси. Основной вывод этого рассмотре-, являющийся следствием развязки аэродинамических и термодинамических аспектов взры-аза, имеет важное методическое значение (предлагает использовать закономерности лами-

нарного режима в решении проблем турбулентного взрыва) и позволяет ввести в рассмотри турбулентную скорость пламени, используя принцип Гуи-Михельсона

где параметр % обычно называется факторе»? турбулиза иии. Уравнение для скороета кара с ния давления (динамики турбулентного взрыва) имеет вид

(¿яМ), = % + «* - О2 3 С/[г„сг„ - (Г„ - Г,Х1 - »,)],

где а = (3^/4П)- эквивалентный радиус сосуда. Сравнивая с аналогичным уравнением , ламинарного режима, получим соотношения двух типов

{¿я

предполагающие применение к практическим системам методов "турбулентной скорости" контрольной поверхности" для описания турбулентного взрыва. В силу этого основное со ношение между скоростями нарастания давления турбулентного и ламинарного взрывов моя быть представлено комбинацией комплексов подобия

=П2/П3 - П16(я,ле,Ги,уь),

(ФМ), = ХА/Л)-

Из последнего уравнения следует важный вывод о несовершенстве широко использую го за рубежом показателя взрывоопасное™ ральных объектов в виде "закона куба" в рам1 "концепции для взрывов пылей)

К с = (ф/А),К13.

Для целей моделирования турбулентного взрыва введена зависимость

которая предполагает замену величины С на С, в используемых для описания процесса кс плексах подобия. Поскольку на начальной стадии взрыва зависимость от Е и £г отсутству справедливо соотношение

г, /,, = {а, МХ^,-/5Ш1)-1)}'7(я-- о;3,

удобное для экспериментального определения турбулентной скорости пламени.

Па основе экспериментальных данных разных авторов и численно проанализировав основные свойства комплекса подобия (Лп(/г~ 1)/сЛл;г в рамках приближения % показана его слабая (порядка 1-2%) зависимость от параметра тге> поэтому его можно предег вить в упрощенном виде

Эго позволило предложить простой метод расчета динамически характеристик процео в том числе импульса избыточного давления (на основе номограмм или таблиц). Для рас1« скорости нарастания давления этот метод утвержден в качестве государственного стандар (ГОСТ 12.1.044-89).

3. ВЗРЫВ ГАЗА В СООБЩАЮЩИХСЯ СОСУДАХ

В разделе рассмотрена природа и особенности проявления обнаруженного Байлинп (ВеуН1Щ Е., 1906) эффекта аномально высокого давления во втором сосуде, развиваемого п

«ренин газа в двух сообщающихся сосудах, превышающего термодинамическое давление зрыва в одиночном сосуде Л€.

Получены уравнения для массовой доли продуктов горения в открытой системе (с пе-еменной массой и объемом), при адиабатическом взрыве газа в сосуде с жесткими стенками с стечением при уъ = уи ив сообщающихся сосудах, имеющие вид

J.

dn

_L di

dr dr

К*,-р,'■>.!.">,■ £»»-&„•

y-i J=t M j=i

ie кj-давление в J -м сосуде, ¡Q; = i" относительный объем /-го сосуда, мас-

звые доли продуктов горения и фронтально сгоревшего газа в _/ -м сосуде. Второе уравнение эобщает известное соотношение Лыоиса и Эльбе для одиночного закрытого сосуда на случай эоизвольного числа сосудов. Проведена оценка максимального давления во втором сосуде

Л-

2 шах

, = ГС-

2е

= яг, + л)г.1е, л, +л]rJeQ.|{\ + íí) = \ + JeЛ

1е К, - давление в сосудах зз момент проскока пламени во второй сосуд.

Рассмотрена проблема взрыва газа в полуограниченном объеме. Записана строгая сис-ма уравнений, описывающая процесс горения газа в сосуде с истечением, позволяющая, на->имер, решать задачу о защите сосуда.

Построена математическая модель процесса горения газа в сообщающихся сосудах, лючающая зависимость нормальной скорости пламени от давления и температуры и уравне-[я сгорания газа в сосудах, «стечения свежей смеси и продуктов взрыва, энергии свежего газа Заланса энергии в сосудах, сохранения массы, объема и состояния газа

dnfy 3 Srl я";

dr dr

J. в.,

2:3

dn

f2=fí 23 X,

dr

= 0,620,62В

XX Je M' dn,

dr

__'l,r

Vr

0,62 В

лп

Фг,

0V = Z-p,/^"

Ф = 1

Фг~2

Ф =1

-!

[(ОГ,:-*)2'-^ Г'УХГ-Ъ

12

при ,т2. Л) > Za, при /Г2 Я"] < Z" , при Л1 л2 ¿ 2.a, при Л2 < ¿a ,

dr л, dr

с/г лг dr

d7tl , 3»! ~ .^2

«2

. [Ky ' dr

ах ах ах ах ах

¿71-, , ¿Пп_ „ (1п._. _ Ып^ ,, £Й1. ^

йх \ ' с} х (1х йх " с1х

"«1 = -"«V. "«2 =Л-И/2

"м = "/1 - + "бг. "и = "/2 - "4г. &>ы=1-©ц1, й)А2 = О - <аи2,

Здесь обозначено: г = ¡8и,-%1 Зс а, , © = К К, , П = от тш ; =

г = а = 2уЦу + \), г = (а у)^2'^ ; £2 = ^

Аи1 = А/, ]1 "* - скорость звука; ах = 0,62 • К,'3 - радиус первого сосуда; g - коэффиц

ент расхода (принимается = 1), - исходная масса свежего газа в первом сосуде; nJ пу, - доли продуктов, образованные при горении в первом и втором сосудах, соответствен} Индексы V и г обозначают истекающие газы из 1 и 2 сосудов, соответственно.

Проведены экспериментальные исследования горения газа в сообщающихся сосуд при широком изменении параметров системы. Опыты проводились в сферических сосудах, с единенных цилиндрическим каналом длиной 100 мм и диаметром от 5 до 13 мм. Объем перЕ го сосуда 2,2 дм3, второго - 0,1, 0,54 и 2,2 дм3. Использовались стехиометрические мета! воздушные смеси при начальном давлении от 0,05 до 0,5 МПа в первой серии (опыты 21-5Г 0,2 МПа во второй серии (опыты 52-108). Точка зажигания располагалась в первом сосуде расстоянии 130 мм от входного отверстия канала, а вряде отдельных экспериментов - в цент сосуда. Давление в обоих сосудах регистрировалось тензодатчиками мембранного типа шлейфовом осциллографе.

Некоторые результаты опытов приведены на рис. 3.1 и 3.2. Если диаметр канала меж сосудами мал, то процесс фронтального горения может не продолжаться во втором сосуде I за гашения пламени в канале или прерываться на некоторое время. В этом случае горюч смесь во втором сосуде воспламеняется с некоторой задержкой а г частично охлажденных ир дуктов горения, поступивших из первого сосуда (рис.3.3), в результате этого максимальн давление во втором сосуде может оказаться более высоким, чем в случае без задержки восш менения. Интересно отметить, что при гашении пламени диаметр проходного канала мож быть значительно больше критического диаметра и толщины зоны пламени.

Для условий каждого опыта рассчитывались характеристики процесса по описант выше модели с использованием экспериментальных данных о временной шкале процесса ( есть варьированием параметра %1 добивались совпадения моментов окончания горения втором сосуде (2т в эксперименте и модели, при этом для первого сосуда полагали — 1 )• результате были выявлена важная для практики зависимось фактора турбулизации Хг от с ношения объемов О и параметра В (рис. 3.4)

Рис. 3.1. Динамика давления при взрыве газа в сообщающихся сосудах при р,- = 0.2 МПа, В = 0,439, О = 0,25:

сплошная линия - первый сосуд; пунктирная линия - второй сосуд; штрих-пунктирная линия - расчет; I- проскок пламени во второй сосуд; 3-максимальное давление во втором сосуде; 4- завершение горения во втором сосуде; 6- завершение горення в первом сосуде; 2, 5 , 7- первое, второе и третье равенства давлений в сосудах.

[с. 3.2. Динамика влення яри взрыве газа сообщающихся сосудзх 1И р( = 0,2 МПа, = 0,309, £1 = 1. Обучения см. на рис. 3.1.

7 !-!9!с

при

сообщающихся

Рис. 3.3. Динамика давления взрыве газа в сосудах при

р,=0,32 МПа, В = 0,19, £1 ~ 0,25. Обозначения см. на рис. 3.1.

Рис. 3.4. Расчетная зависимость

при 0= 0,05(3), 0,25(2), 1(1). Пунктирная линия - экстраполяция.

Рис. 3.5. Зависимость от В

при П = 1 (1), 0,25 (2), 0,05 (3) и 0,25 (4) - (опыт с задержкой воспламенения в сосуде 2). Сплошная линия - расчет, пунктирная - экстраполяция. Точки -эксперимент. Вертикальными

штрихами отмечена граница зажигания в сосуде 2.

Я2т ТСе

2,2

1,6

1,0

1 1 1 1 о 1 О 2 о з

О 4

1 О V.

-1 / о\ \

! /о оЧ ^

о\

1 --сГ~— а а □ г 1 1

В

0,4 0,8

В результате экспериментальных исследований и численного моделирования процес установлено, что эффект аномально высокого давления обусловлен межкамерным взаимоде ствием двух факторов - горения и истечения. При этом экспериментально определена его зав симость от параметров процесса В и £2 (рис. 3.5). Показано, что среди определяющих пар метров важное значение имеют параметры: В - отношение характерных времен фронтально горения и истечения (или скоростей изменения тепловой энергии при истечении и тепловыд ления при горении), Г2- отношение объемов сосудов, Зе — — 1)- энергетический парами

- коэффициент турбулизации пламени во втором сосуде. Рассмотрены три возможных рема горения. В режиме быстрого горения (/? « 1) процесс лимитируется истечением. Горе; происходит как в по следовательных одиночных сосудах. В переходном режиме (В ~ 1) 'актсрные времена горения и истечения соизмеримы и наиболее ярко проявляются эффекты имодействкя: аккумуляция массы газа во втором сосуде, высокие скорости турбулентного |ения (с коэффициентом 40 по отношению к нормальной скорости), аномально высокие даь-[ия (с фактором 2,4 по отношению к максимальному давлению в одиночном сосуде) и дру-В режиме медленного горения (В » 1) весь процесс определяется собственно горением, подобен процессу в одиночном сосуде, объемом равным сумме объемов сообщающихся со-,ов. Во всех, случаях эффект аномально высокого давления возрастает с уменьшением пара-гра £2.

4. ГОРЕНИЕ ГАЗА В ЛИНЕЙНОЙ СИСТЕМЕ СООБЩАЮЩИХСЯ СОСУДОВ

Рассмотренная выше задача о горении смеси в двухкамерной системе имеет отношение к ггавленной К.И. Щелкиным в начале 40-х годов проблеме горения газа в шероховатых тру: и трубах с препятствиями, в которых драматическое ускорение пламени приводит к сга-жарной детонации с аномально низкими скоростями (до 0,4-0,5 от скорости детонации в дких трубах). В последующие годы работы по горению газов в трубах с препятствиями пошли дальнейшее развитие. Основные эксперименты, выполненные под руководством Дж. (Канада) и другими исследователями, на трубах с периодическими с низким блокадным от-

пением ВИ = 1 -й?2/!)2 =0,28-0,60, показали следующее. Пламена даже в слабых зкореакционных) смесях быстро ускоряются с выходом на один из стационарных режимов торых может быть несколько в зависимости от параметров и расстояния между пре-

ете ия ми) со скоростями меньшими, чем скорость детонации Чепмена-Жуге. Кроме того, в 1асти сужения может наблюдаться гашение пламени (без реинициирования) при диаметре [ала в 50 раз больше тепловой толщины зоны пламени. Математические мол ел и рассмот-[ных выше систем практически отсутствуют. В связи с этим представляется целесообразным юлнить экспериментальные исследования по горению газа в трубах с препятствиями или в эгокамерных системах на область больших блокадных отношений (0,91-0,98).

Многокамерные системы представляли собой последовательные соединения одинако-4 цилиндрических камер длиной 130 мм и .0 = 115 мммми с/ — 17, 24 и 34 мм (ВИЮ,982, 56 и 0,913). Каждый сосуд снабжался датчиками давле ния тензометрического типа, а канал ото диодом для регисг рации момента появления пламени в очередном сосуде с помощью ейфового ос-циллографа. В опытах использовались пропано-воздушные смеси при началь-< давлениях р) — 0,02 — 0,40 МПа. Смеси поджигались электрической искрой в геометри-ком центре первого сосуда. Некоторые результаты опытов приведены на рис. 4.5 и 4.6.

Установлено, что наблюдаемые явления обусловлены процессами - горением и истечеки-имеющими место в каждом индивидуальном сосуде, а также межкамериым взаимодействи-этих процессов. В результате экспериментальных исследований обнаружено существование ционарного режима распространения волны горения. В этом режиме, когда профили давле-I и скоростных потоков возобновляются в каждом со суде, формируется волновой процесс ения с постоянными скоростными и структурными характеристиками. Скорость волны (для хиометрической пропано-воздушной смеси при р, =0,1 МПа и ВК=0,91-0,98 составляющая >-440 м/с) зависит от химических свойств газа, а также от геометрии системы (рис. 4.4).

Рис. 4.4. Зависимости средней скорости распространения пламени от состава пропано-воздушной смеси. Крестом обозначены пределы распространения пламени в системе.

Рис. 4.6. Зависимость 7г(г) = р{1)!Р, - Цифры на кривых обозначают номера сосудов Кресты - моменты проскока пламени в сосуд

%

И

9 7 5 3

29 1,мс

Рис. 4.5. Зависимости я (/). Цифры а кривых обозначают номер сосуда. Пунктирная линия соответствует максимальному давлению при сгорании смеси в одиночном закрытом сосуде. Кресты -моменты проскока пламени.

Волна горения имеет интересную особенность: она сопровождается барической волной с плг но возрастающим передним фронтом и максимумом, не превышающим максимальное дав; ние при горении газа в сосуде постоянного объема. Положительный градиент давления фронте вызывает движение газа и перенос пламени вдоль оси системы в направлении дви» ния волны. Длина барической волны и длина зоны горения достаточно велики и достигают стехиометрической смеси одного метра.

Рис. 4.11. Зависимости максимальных давлений от состава пропано-воздушной смеси. Цифры соответствуют номеру сосуда.

5,5 %СзН&

. 4.16. Расчет динамики давлений в сосу-в 5-ти камерной системе при наличии ноотдачи для 3е =7,9, = 0,4 . Пунктиром показано максималь-давление в одиночном закрытом сосуде.

¡ 2 3 4 5 б ? г

Рис. 4.17. Зависимости коэффициентов тур-булизашш от номера сосуда: 1-6- эксперимент, 7-расчет. 1-4- dc= 17 мм, р.=0,1 Мпа, В0 =0,4-2,4; 1- 5,5 % С3Я8, 2- 3 % С3Я8, 35 % С3#8, 4- 6 % С3Я8; 5- í/c=12 мм, /7, =0,2 МП», 9,5 % C3fís, В0<-0,8; 6 ,7-dc-\l мм, О,=0,3 МПа, 6,5 % С3/4, »0=2,4.

В длинных системах установившемуся стационарному режиму горения предшествует риод его формирования. Расстояние выхода на стационарное состояние порядка величины ны горения. Если длина системы соизмерима или меньше характерного размера волны го ния, процесс распространения пламени от начала и до конца носит нестационарный харает Ограниченность системы по длине привносит в процесс горения дополнительные эффекты стационарности. Они проявляются как у ближнего, так и дальнего концов системы и выра; ются, в частности, в развитии повышенных давлений в первых и последних 2-х или 3-х каме| (рис. 4.5). Концевые эффекты при прочих равньсх условиях более существенны в коротких о темах (рис. 4.6).

На основе модели двухкамерной системы построена математическая модель лроце( горения газовой смеси в линейной многокамерной системе, включающей два основных рем ма распространения пламени - режим последовательного горения (Модель I) и режим от временного горения (Модель II). Разработана также математическая модель для режима го; ния с гашением пламени при передаче горения из сосуда в сосуд и последующим реиницищ ванием пламени по механизму динамического теплового взрыва. Полная система уравнеш описывающих процесс горения в системе N сосудов, состоит из (6Л-3) дифференциальных (5А/+1) алгебраических уравнений, а также ряда граничных и начальных условий на иомен-проскока пламени, которые сами зависят от предыстории процесса. С целью экономил мес запишем только уравнения динамики давления (баланса энергии в сосудах):

Рассмотрен процесс охлаждения продуктов горения в сосудах (рис. 4.16). При этом уравнениям динамики давления необходимо добавить уравнения энергии для продуктов гор1 ния (в которые входит критерий Стеятона ):

Численное расчеты процесса горения в многокамерных системах подтверждают удовл< творигельность принятых физических допущений и математической модели процесса и поэвс ляют выявить его особенности, например, значения коэффициентов турбулизации (рис. 4.17).

Сформулирована задача о самовоспламенении газа в замкнутом объеме перед фронто) медленного пламени. Система, описывающая процесс, включает уравнения: энергии и состоя ния газа перед фрокгом пламени, нормальной скорости пламени и массовой скорости горения энергии для всей системы (соотношение Льюиса и Эльбе) и кинетики химической реакции (бе

5. САМОВОСПЛАМЕНЕНИЕ ГАЗА ПЕРЕД ФРОНТОМ ПЛАМЕНИ В ЗАКРЫТЫХ СОСУДАХ И ПРИ АДИАБАТИЧЕСКОМ СЖАТИИ

чета выгорания за период индукции). Эта система сведена к одному уравнению процесса в посхости давление- температура

П1/И-1

^ ~г~) (5Л)

ви и, е-г, %(*.-*)

аж у ж^уу х2"*" ж\ Jt ) краевым условием: ж — 1, ви — 1. Здесь Д = /Е - малый параметр Франк-Камекецкого;

' = ('/ ~ ^о/^ш '(ехр(-1/Д)- параметр, представляющий собой от-

ошение характерных времен фронтального горения и объемной химической реакции фитерий подобия, который ранее не встречался в теории горения). После разложения в (5.1) депоненты по методу Зельдовича и Воеводского для случая Ж ~же получено аналитическое ешение вида

^/г'-'ф^Дг*)']^, (5.2)

л (5.2) видно, что при ж —> ж', ви —> со, откуда, с учетом д'и -{ж*^ *, имеем условие 1мовоспламенения на пределе, при Ж = жг,

и, = «Мг ~ 1) • ^ехр[(1 - ] = 1. (5.3)

Далее показано, что в качестве условия (критерия) самовоспламенения может быть приято условие равенство нулю работы сжатия свежего газа, а именно, условие

<19и!с1ж=0и< ж. (5.4)

[одстановка (5.4) в (5.1) приводит к критическому условию вида (5.5)

«' = (*. - ж)^ ^«^-(^П/д]-!.

оторое на пределе при Ж* — Же практически совпадает с условием (5.3), полученным на ос-ове аналитического решения (5.2), совпадающего с численным решением уравнения (5.5) зис. 5.2). Если рассматривать самовоспламенение на некотором расстояшш от стенки сосуда

ж* < -Те|, то решение (5.2) и вытекающее из него условие (5.3) не позволяет расчитать крн-

ическое давление ж* (при котором фронтальный режим горения сменяется объемным), по-кольку при его выводе опущено выражение в квадратных скобках в уравнении (5.1), в то же ремя критериальное условие самовоспламенения (5.5) справедливо на любом расстоянии от геики сосуда.

Рассмотрены альтернативные критерии самовоспламенения, отличные от (5.5), и показа-о, что все они приводят к критическим условиям, которые значительно завышают либо зани-

:ают значения критического давления Ж*. Предложенный нами дифференциальный критерий

>.4) и полученное на его основе критическое условие (5.5) позволяют определить ж' с почетностью не превышающей 2-4 % (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Динамика воспламенения в плоскости 7Г - системы 9,5 % С//4 + воздух при 7, = 750 К: 1- численное решение ур. (5.1), V, = 3 м3; 2- то же К,. = 3 дм3; 3 и 4- самовоспламенение с учетом теплопотерь в стенку сосуда, I) = з дм3, а = 20 и 100 Вт/м2к, 5-

адиабата в = Я''"1 т; 6- значения критического давления я'р, рассчитанные по условию (5.5); 7- значения критического давления Ж , полученные численным решением уравнения (5.1); 8- аналитическое решение (5.2), = 3 дм3; 9- разогрев соответствует одному характеристическому интервалу.

а

6'

<5"

2.5"

3,5

Анализ решения задачи позволил:

a) Сформулировать и обосновать дифференциальный критерий самовоспламенения вида

(Ыви1(Мл-\.

b) Найти предельное (в конце процесса фронтального горения) и текущее (в любой момент времени) условия самовоспламенения для расходящихся одномерных пламен вида

= //„] =1, га которых следует, что критические параметры

|тг* ,<5Ц" | являются функцией динамики процесса.

c) Установить величину предвзрывного разогрева смеси.

б) Выделить три режима протекания процесса сгорания в сосуде: фронтальный - при и^и^Л^'й 1, К > ке\ совместный - при = I, 1 < Я < яе, объемный - при

и(щ,\)~ щ > 1, я ~ 1.

е) Провести оценку и показать возможность образования нелинейных волн сжатия при самовоспламенении.

Т) Исследовать явления вырождения самовоспламенения по параметру Д и за счет теплообмена со стенкой сосуда.

Проведено экспериментальное исследование самовоспламенения газа перед фронтом пламени в закрытом сосуде. Опыты проводились со стехиометрическими метано-воздушными смесями на установке состоящей из подогреваемого стального сферического сосуда (бомбы) объемом 3 дм3, форкамеры того же объема с перепускным клапаном и газовой сборки с вентилями. Исследуемая смесь перепускалась в предварительно вакууммированную разогретую бомбу и поджигалась с задержкой в ее геометрическом центре. Регистрация динамики давления производилась с помощью емкостного датчика давления. За факт самовоспламенения принималось наличие колебательных явлений при горении газа а сосуде и после его окончания, то есть аномальное поведение . В экспериментах наблюдалась определенная корреляция расчетных и экспериментальных результатов.

Рассмотрена общая задача о самовоспламенении газа при произвольном законе моно-онного адиабатического сжатия dnjdt — const-и разработан алгоритм, позво-

¡яющий находить критические параметры (тг' ,0' j

в различных конкретных задачах этого

Рассмотрена задача о самовоспламенении газа впереди фронта пламени в условиях со-¡бщающихся сосудов. Получено критическое условие самовоспламенения газа во втором сосуде, которое может быть представлено функцией характерных времен или уже извесгных дина-

щческих параметров и* и В', Г . . V

II

Иг. =

'/ 'v

Ч 1 '/ Кгм У

1-й*

* привлечением экспериментальных данных раздела 3 численно показана возможность онкретной реализации рассматриваемого явления. Эффект реализуется по крайней мере при начениях параметров: /Т. = 9, П 2 0,05. В = 0,2.

Рассмотрена задача о самовоспламенении газа в адиабатической пушке в постановке 1.Г. Мержанова. Получено условие самовоспламенения вида

вляющегося отношением характерных времен сжатия поршнем и объемной химической «акции. Рассмотрена обратная задача самовоспламенения газа в адиабатической пушке и «основан метод определения констант макрокинетики к0,.1,Е по экпериментадьным

начениям критического давления К .

Теоретически обоснована методика экспериментального определения задержки вос-ламенения топлива в дизеле на установке адиабатического сжатия со свободным поршнем адиабатической пушке). Рассмотрены три условия совпадения индикаторных диаграмм и по-азана принципиальная возможность реализации предлагаемой экспериментальной методики, рис. 5.8). Предложен метод тарировки датчиков давления в динамическом режиме на уста-овке адиабатического сжатия со свободным поршнем (адиабатической пушке).

40

20

60 -

40 -

Рис. 5.8. Динамика процесса сжатия в дизеле и в адиабатической пушке при степени сжатия s = 16 (кривые 1, 2 и 3) и £ = 24 (4, 5 и 6): 1, 4-

= 3600

2, 5- пй =1800

мин"1; 3, 6- и0 = 900 мин'1. Масса поршня: 1- m = 0,0507 кг; 2-м = 0,2029 кт; 3- т- 0,8115 кг; 4- т = 0,0768 кг; 5- т- 0,3071 кг; б- т = 1,2284 кг.

t, мс

ласса

п

мин

о

8. ПРОЦЕССЫ САМОВОСПЛАМЕНЕНИЯ В ДВС

Проблема жесткого сгорания - "стука" или детонации в ДВС с искровым зажигание! известна исследователям с конца прошлого века и ей посвящено большое количество экспери ментальных и теоретических работ. Как указывает ДА. Франк-Каменецкий, важнейшим вс просом при применении теории горения к процессам в двигателях является вопрос о природ детонации в двигателе. Обычно это явление связывают с самовоспламенением последней част горючей смеси. Однако полной ясности в природе явления пока нет. A.C. Соколик отмечает что выяснение специфических свойств такого самовоспламенения, приводящего к рождение сферической ударной волны, составляет главную и окончательно до сих пор не решенную про блему теории детонации в двигателях. Существуют различные гипотезы появления сгука шц детонации в двигателе, например, физические (гидродинамические) - возникновение детона ции из-за непрерывного ускорения пламени или через возбуждение акустических высокочас тотных колебаний и химические - возбуждение ударных волн из-за холоднопламенных процес сов, связанных с распадом гидроперекисей или с самовоспламенением свежей смеси. В по следние годы появились новые идеи относительно природы стука, связывающие его с развита ем нелинейных волн сжатия в высокотемпературном градиентном поле. Нами сформулирован; гипотеза о природе стука или детонации в двигателе как проблема конкуренции процсссог фронтального (дефлаграционного) и объемного (адиабатический тепловой взрыв) горения. Е такой постановке применительно к закрытому сосуду задача авторами была решена, насколько нам известно впервые, в 1979 году. Применительно к двигателю критерием достоверностт предложенной гипотезы должно являться соответствие теории и эксперимента по всему комплексу определяющих параметров процесса.

На основе сформулированной авторами гипотезы о причине стука или детонации в двигателе построена математическая модель процесса фронтального горения в ДВС с искровым зажиганием с учетом процесса самовоспламенения смеси перед фронтом пламени. Система, описывающая процесс, включает уравнения энергии и состояния смеси перед фронтом пламени, динамики давления (энергии всей системы), объема системы и его динамики, массовой скорости горения (для одномерного турбулизированного фронта пламени), макрокинетики химической реакции перед фронтом пламени и зависимость нормальной скорости пламени от давления и температуры:

de/dtp = (l - \/r^0/y-r)d njiitp + (Je у у dip, a>.=(\-x)e/x,

dx/dep - -у(л cu)d(V d<p+{je a>)dx d<p,

Й) = [l + (l - cosp+(A 2)sin2 <p){s~\) l^fs,,

do)jd<p = siatpQ ■+ Acosg?)(c- l) 2,?,,

dx/dep = DfSr [(1 - x) '(ou H(1 + $ со/2 - fr. ]bVv,

drjjdtp = Dv[{\-x) öJ4exp[(l-10) Дj,

Sr=Ansl-x95, ¿ = [i + 5 + (l A) {\+J, y)\l[2(\+J, y)l

JM + J.y) _ 2ß{\ + Jey)

а также начальные условия: q> в — 7l-C0~\,X—T} = §.

Выполнен теоретический анализ процесса и получено приближенное аналитическое ре-пение задачи о самовоспламенении смеси перед фронтом пламени, в том числе критическое словие стука или детонации в двигателе на пределе (в конце сгорания)

де ,Ор- параметры процесса. Предельное условие самовоспламенения в двигателе по-

учим при (р —> <ртах, со' —> ®тах. я ятах. Критическое условие самовос-пламененкя |редставляет собой комплекс из характерных времен (процессов фронтального и объемного орения и сжатия поршнем Iу ,/*), а именно,

Таблица

Сравнение теоретических и экспериментальных результатов

Изменение параметров системы Модель Опыт Кол-во ссылок

1овышение начального давления смеси р, + 9

Товышение температуры 1] + + 8

>величение частоты вращения коленчатого вала п - - 8

Увеличение характерных размеров + + 6

Увеличение степени сжатия е + + 12

Увеличение угла опережения зажигания ± + 8

Уклонение состава смеси от стехиометрии а > 1 - - 10

"урбулизация смеси %1 > 1 - - 6

Увеличение нормальной скорости пламени - - 4

Увеличение скорости объемной реакции + + 5

Примечание: + способствует стуку, - подавляет стук

Сопоставление теоретических результатов по десяти параметрам двигателя и рабочего про-¡есса с большим числом эксперимет"альных данных разных авторов подтверждает достовер-[ость предложенной гипотезы возникновения стука или детонации в двигателе как результата онкуренции процессов фронтального и объемного горения (см. таблицу). Численным модс-нрованнем рабочего процесса в двигателе с учетом самовоспламенения перед фронтом пла-шни (рис. 6.1, 6.2). На этих рисунках область между двумя верхними огибающими соответ твует объемному горению. При варьировании угла зажигания, степени сжатия, коэффициента збытка воздуха и частоты вращения коленчатого вала обнаружено существование полуостро-а самовоспламенения (в сечениях поверхности отклика при £ — const) в плоскости частота ращения (П0) - угол зажигания (tpj) и наличие предельной частоты вращения ИцЛ1ах соответствующей мысу полуострова), выше которой стук отсутствует при любом угле зажига-ия (рис. 6.4). Сформулирован принцип подбора антидето наторов: антидетонационная до-авка к топливу должна ингибировать низкотемпературную объемную реакцию и промотиро-ать высокотемпературную во фронте пламени.

-60 -40

-20 О 20 ф, Град п.к-ь.

-ЬО -40

ф,Град гик.в.

Рис. 6.1. Динамика сгорания в двигателе со Рис. 6.2. Динамика сгорания в двигателе со

стуком или детонацией для (р{ от -60 до 30 стуком или детонацией при п = 6000 мин-1

Град п.к.в. при п =2000 мин1: а- £-7; Ь- (обозначения см. на рис. 6.1).

£=9,

2ОО0 4006 6000

п.мин'1

10000 12000

Рис. 6.4. Поверхности отклика для пределов появления стука или детонации в ДОС с искровым зажиганием в плоскости частота вращения - угол зажигания в зависимости от степени сжатия: 6- £ = 6, 1- £=1, 8£ = 8. 9-£ = 9, 10- £=10, 11- £=11; а- а = 1, Ь- а = 1,25.

Получены уравнения энергии для многозонной модели процессов фронтального и объемного горения в закрытом переменном объеме и ДВС, позволяющие создавать замкнутые модели для процессов самовоспламенения и горения и экологических задач в различных реаль-

:ых системах с учетом детальной кинетики химических реакций (или равновесного состава родукгов горения). При этом уравнения энергии свежей смеси перед фронтом пламени ( '/'„) п

я Л7зоп), уравнение динамики давления ур)

ля каждой я-сй зо!!!-! в продуктах горения ( 7', соотношения (а 1 ) для мольных долей компонентов свежей смеси и продуктов горения югут быть записаны в виде

Т„

У -1р Г Р

—1л

у-\

У

//, - пт

(6.1)

Гь„

у р

1

Л

X

1

*

Я, -Л7' +ЛГ -

Та,

г-1

Я, - «7'

(6.2)

Р

о = -г — К

КТ„

л/,. (1-1/7)я;-лг°

пь

■и

7

7-1

я;. - ЛГ

= 0,

1>* = о.

Г-1

(6.3)

(6.4)

4 этих уравнениях суммирование идет для смеси перед фронтом пламени (свежей смеси) по_/-м :омпонентам, а для продуктов горения по п-м зонам и к-м компонентам. Поскольку уравнение 6.3), по-сухцеству, является калорическим уравнением состояния (уравнением энергии) для сей рассматриваемой системы, для которой уже записаны уравнения энергии (6.1) и (6.2), в гбщей системе (6.1)-(6.4) уравнение энергии для одной из зон является избыточным.

На базе уравнений энергии для многозонной модели разработана математическая мо-¡ель самовоспламенения смеси перед фронтом пламени в ДВС с искровым зажиганием на ос-юве приближения детальной кинетики химических реакций (для смесей изооктана и н-гептана воздухом). Система уравнений процесса кроме уравнений энергии, состояния, сохранения щссы и динамики давления включает химический блок, содержащий (33 частицы и 44 реак-1ин).. В работе использована сокращенная кинетическая схема, разработанная специалистами 1ХФ РАН. Расчеты по этой модели позволят исследовать влияние состава топлива и различии добавок на пределы стука (или детонации).

Математически сформулирована и аналитически решена задача о задержке воспламе-[ения топлива в дизеле в процессе адиабатического сжатия поршнем как модельная задача ч [ериоде индукции динамического теплового взрыва. Критическое условие самовоспламенения

ля определения давления л* (с помощью которого может быть найден период индукции г,)

1

л

/

{£-2ей(х)'Х7 +\)ке-\)\ %=<р'-ср 0, г, = %/(2Пп),

<р = агссов

представляет собой отношение характерных времен процессов сжатия поршнем I* и обьемш

• J%e17 Р 'г) = ' Проведены численные расчет

химической реакции а именно ир

задержек воспламенения топлива (периода индукции) от параметров процесса. Лолученш зависимости периода индукции, определяемые полученными расчетными формулами, удовл творительно согласуются с известными экспериментальными данными (рис. 6.8, 6.9).

Рис. 6.8 и 6.9. Зависимости задержки воспламенения топлива в дизеле ЧЛ от частоты вращения двигателя Л при коэффициенте избытка воздуха а. 1,25 (1); 1,5 (2); 1,75 (3); 2,0 (4), степени сжатия £ ■. 15 (5); 18 (6); 21 (7); 24 (8) для углов опережения впрыска топлива <р0, Град н.к.в.: -18, -24, -30, -36.

Построена математическая модель для расчета задержки воспламенения топлива в га зодизеле, работающем на СПГ, в рамках гипотезы о независимости макрокинегтических реакций окисления газового и дизельного топлива в локальном объеме вблизи поджигаемого и\ факела. Эта модель является исходной для разработки соответствующей модели с учетом детальной кинетики химических реакций.

Предложена гипотеза о возможной жесткой работе газодизеля на заключительных этапах процесса горения заряда. Рассмотрена элементарная модель динамики выгорания заряда запальной порции дизельного топлива, основанная на закономерностях горения одиночной капли. Построена математическая модель рабочего процесса в газодизеле, работающем на СПГ, с учетом возможности самовоспламенения смеси в локальном объеме вдали от очагов горения, позволяющая определить область нормальной (без самовоспламенения) работы двигателя и допустимые конструктивные и термодинамические параметры двигателя и рабочего процесса.

7. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ В ДВС

На на основе закономерностей взрыва газа в сообщающихся сосудах, исследованнь;-. ггором, построена математическая модель процесса сгорания смеси в ДВС с форкамерным :жиганием. Рассмотривается процесс медленного адиабатического фронтального горения пе-¡мешанной смеси, инициированной в центре камеры 1 сферической формы (форкамеры), объ--юм К], и камеры двигателя, начальным объемом У21, сообщающихся каналом сечением /•'. редполагается, что пламена в камерах 1 и 2 относятся соответственно к сферическому и тоскому видам. Деформация и турбулизация фронта пламени учитывается коэффициентами и как увеличение эффективной поверхности пламени, распространяющегося с нор-альной скоростью Численные расчеты и экспериментальные исследования двухкамерных )стем показывают применимость предложенного подхода для описания процесса горения в ВС с форкамерой.

Разработана математическая модель процесса сгорания смеси в ДВС с искровым зажи-:нием с учетом равновесного состава продуктов горения в рамках многозонной модели (до )-20 зон) с целью прогнозирования выбросов вредных веществ в атмосферу (включающих Н4, СО, NО, К'Ог, НСИ, ШЬ, НИО^ С2Л12 и другие) и выработки мероприятий по их снижено. Рассматривается горение углеводородного топлива (в состав которого может входить коке азот и кислород) в воздухе средней влажности (0,2064202+0,76952/^ ),О]45#20+О,ОО923ЛП-О,ОООЗЗСО2). В продуктах горения учитываем 20 компонентов: Ог, N2, 20, Аг, С02, СН4, Нг, С, Ог, О, Ы, Н, ОН, СО, КО, А'Ог, НСЫ, Ш3, НЫОи С^Нп- Реакция сго-1ния одного моля смеси записывается в виде:

20

я/:ЛЛ0о+(1^/)(0,20642О2-Н)>76952Л^+<)>0145//2О+0,00923ЛН0,00033С02)=2а11.Р;(. ,

4=]

[е я/ - относительная объемная концешрация (мольная доля) горючего компонента смеси; с, п, о - число атомов С, Н, И, О соответственно в молекуле горючего, ак - мольная доля Х-го >мпонента продуктов горения; Т\ - химическая формула к-го компонента продуктов горения, ястема уравнений процесса, кроме уравнений объема системы (и его динамики), состояния ;ежей смеси и продуктов горения, баланса объема системы, энергии свежей смеси (и его ин-грал), массовой скорости горения и динамики давления (энергии всей системы), включает шический блок с уравнениями сохранения числа атомов в начале процесса и в продуктах го-:ния и текущего баланса массы (выраженных через мольные доли компонентов смеси с уче-

к хак = 1), следующие пятнадцать уравнении равновесия: Нг<г*2Н, КНан21а„2)р, О-^ЛО, Кг=(а021аа2)р,

Н20<->20Н+0, К7 = (а,Га01аНго)р, 03<->30, К^(а03/а0г)р2, СОг^С+Ю, К3={асао2/асо2)р2, 0Н<г->0+Н, Кк=(аоа,Мон)р, N2*-^, КНа/Ь„2)р, .УОоЛ^О, Кп^ао/аю)р,

СОоС+О, К,=(асао/асо)р, ЫОг<+Я+Ю, К12={аца021а>ю^р2,

СН,<->С+4Н, КгНасан/аснУ, ШзО-Л^ЗН,

нс\'< ->нн:-. О, КНрнасаы/ансыУ, НМ0з<->Н+Я+30, К14Наиа^аНт})р\ С-&Н 12<->20Ст 12Н, К\ 5={ас20аи12/ас20н12)/>31.

Константы химического равновесия К\-К\> являются функциями текущей температу! продуктов сгорания и рассчитываются на основе термодинамического уравнения изобары { акции ((ЛпАуаТ)„=(Л/?т)ЛН'!'ь2 для каждой /я-ой реакции. При этом для определения темпе]: турнои зависимости энтальпии реакции АН» используется не свободная энергия <7°г, а прш денная энергия Гиббса :

Ы'Л'1')--

2 п ф; (Г) - IV, АНЫ - £ ^ЛН,

\ к

/2,3026Л

где Ф® = — Я")/Т; , - стехиометрические коэффициенты.

Проведены численные исследования особенностей динамики сгорания смеси и экон мические показатели ДВС с искровым зажиганием при различных одномерных законах изм нения поверхности пламени и их модификациях и в симметричной камере с реальной геоме рией (рис. 7.1). Показано, что среди различных типов одномерных пламен для описания пр( цессов горения в двигателе ближе всего к реальному закону приближаются модели плоского цилиндрического расходящегося пламени (причем последняя модель предпочтительнее), др; гие виды одномерных пламен для этой цели, по-видимому, непригодны. Для рассмотренног диапазона изменения параметров процесса для этих пламен получены значения фактора турб; лизации пламени, которые могут быть использованы при моделировании.

Следует отметить, что длительность процесса сгорания в двигателе, выраженная утлом ; к. в. (р, практически не зависит от частоты вращения п() в широких пределах. Автомодел1 ноегь индикаторной диаграммы объясняется тем, что скорость турбулентного пламени, в о( новном, определяется скоростью турбулентного переноса, которая согласно эксперименталг ным данным пропорциональна средней скорости поршня и слабо зависит от нормальной скс роста пламени. Динамики процесса сгорания при различных степенях сжатия £ в единица принятого в работе безразмерного давления также практически совпадают (поскольку 0,Ке 3 с не зависят от Е )

Исследовано влияние формы камеры сгорания и места расположения точки зажигани на динамику сгорания смеси и индикаторный КПД цикла. Рассмотрены симметричная камер сгорания с симметричным расположением точки зажигания (Модель 1, рис. 7.1) ] асимметричная камера с удаленной точкой зажигания (Модель 7, рис. 7.3). Математически модели рабочего процесса близки к модели, рассматривающей самовоспламенение смеси пере, фронтом пламени в ДВС с искровым зажиганием (раздел 6), за исключением объемной реак ции. Кроме того они учитывают процесс распространения турбултированного фронт пламени в сферических сечениях камеры сгорания и являются строгими (не используют опыт ных данных). Для реальной геометрии пламени (Модель 1) функция площади пламеш

/(я) = 4/у /ГГО2 определяется в зависимости от текущих значений координаты фронт; пламени Гу, поршня х — С1 1'с /ГЮ2= Не¡6) и объема продуктов горения Уь = ¿¡Ус(Оь

из уравнений, решаемых методом дихотомии. Для реальной геометрни (Модель 7' соответствующие уравнения для определения функции площади пламени значительно сложи« и включают неполные и полные эллиптические интегралы 1-го и 2-го рода в пормально? форме Лежандра (практически решаемые методом прогонки) Дяя реальных геометри.ч пламени (Модели 1 и 7) расчетные индикаторные диаграммы также практически не зависят от частоты вращения я0 (автомодельны), причем максимум давления в асимметричной камере сгорания (Модель 7) лежит значительно ниже, чем в симметричной (Модель 1), а длительность

Рис. 7.1. Распространение фронта пламени в симметричной камере сгорания (Модель 1) в двигателе с искровым зажиганием: гг радиус сферического фронта пламени; - - координата поршня; D - диаметр поршня; Н - высота камеры сгорания; Sp.plug- точка, в которой происходит зажигание смеси.

Рис. 7.5. Динамика сгорания смеси в камерах с различной реальной геометрией при П — 6000 мин"' для различных углов зажигания (р( при £— 7: 1 - Модель 1, 7- Модель 7; х.х,- кривая холостого хода.

Z н /УУУ//У//У/// Ууу///У//У/У/А

® ©

Бр.р^ О

Рис. 7.3. Распространение фронта пламени в асимметричной камере сгорания (Модель 7) в двигателе с искровым зажиганием (обозначения см. на рис. 7.1).

Рис. 7.7. Зависимость индикаторного КПД цикла от угла зажигания <р: при п =6000 мин"1 для камер с различной геометрией при варьировании степени сжатия £ в сравнении с циклом Отто. М1- Модель 1; М7- Модель 7; 7- £=7; 8,5- гг-8,5; 10- ¿г=10.

процесса сгорания в Модели 7 почти в два раза больше, чем в Модели 1 (рис. 7.5). Индикат ный КПД реальных циклов сгорания значительно меньше, чем идеализированного цикла От

определяемого уравнением Т]0 -- 1 - . Симметричная камера сгорания (Модель 1) с а мегричным расположением точки зажигания намного эффективней асимметричной (Модель и, по-видимому оптимальна для конструктивных решений. КПД реальных циклов значитель ниже, чем цикла Огто. Зависимость КПД от частоты вращения П{] слабая, а от угла зажига! (р1 - сильная и имеет максимум при (<? ~ 20 Град п.к.в. для Модели 1, а для Модели 7 эт максимум расположен дальше от ВМТ (при ср1 ~ —40 Град п.к.в.) и имеет значительно бо. ший градиент на графике (рис. 7.7.). Необходимо отметить, что стремление к повышению К1 цикла путем повышения степени сжатия Е и варьирования угла зажигания >р1 (приближена максимуму), как показано в разделе 6, встречает препятствие в виде возникающего при эт явлении стука (или детонации) в двигателе.

Построена замкнутая математическая модель процесса горения смеси в ДВС искровым зажиганием с учетом процессов конвективного и радиационного теплообме (Модель 1Т). Постановка задачи соответствует Модели ! с изменениями, связанными с неад! батичностью процесса. При наличии двух зон необходимо записать два термических и д калорических уравнений состояния (одно из которых является уравнением динами: давления), а также учесть процессы теплообмена этих зон с элементами ограничивающ: поверхностей. За начальные параметры принимаются параметры системы в момег зажигаю; соответствующий углу п.к.в. <р,. В целях экономии места ограничимся только уравнения* энергии и относительных скоростей конвективного и радиационного теплообмена:

7t=-rx6>lm + (Jj со)х- r[guc + qbc + Чы) j® =

qbc = ¿St-0,)'

М j=4

ibr-to-^fJti-Xftf/tfj •

/=7 / j=l _

где Stj = St^ J,Bo4- критерии Стентона и Больцмана (модифицированный). Эта систем

основных уравнений динамики дополнительно включает уравнения для расчета функции f(fi плошади пламени (Модель 1). Кроме того она должна бьгть дополнена группой уравнений дл расчета функций (/у ,/j) площадей конвективного теплообмена свежей смеси и продуктов гс

рения и радиационного теплообмена продуктов (при текущих координатам пламени гу поршня Z) с частями поверхностей поршня, цилиндра и камеры сгорания, имеющим» рззлич ные температуры {Tp,Tj ,ТС). Коэффициенты теплоотдачи а; (с помощью которых опреде

ляются критерии Sty), зависящие от теплофизических свойств поверхности, состояния газо

вой среды и условий обтекания, являются функциями критериев Нуссельта Nu, Рейнольде Re и Прандтля IV. Радиационный теплообмен расчитывается по закону Стефана-Больцманэ Свежую смесь считаем прозрачной, а продукты горения излучающей и ослабляющей средой Использована модернизированная формула для лучистого теплообмена между двумя серым! поверхностями в замкнутом пространстве, когда одна из поверхностей облекает другую

пользующая приведенную степень черноты Е^, учитывающую процессы переизлучення гргии между элементами поверхностей и их различную температуру. При этом эффективные ;пени черноты поверхностей камеры сгорания £с, цилиндра Ел и поршня £р определяются экспериментальных данных. Эффективная И1ггегральная степень черноты зоны продуктов рения еь являются функцией динамики процесса и рассчитывается через число Бугера Ви :пользующее понятия эффективного коэффициента поглощения кь и среднего хода луча /,, . ¡считываемого через объем Уь и внешнюю поверхность Ь\ продуктов горения).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты работы состоят в следующем:

1. В строгой постановке рассмотрен процесс взрыва газа в ограниченном объеме, гом числе выведены соотношения для массовой доли продуктов горения и характе-стик на фронте пламени, вытекающих из условий Ренкина-Погокио. Получены общенные уравнения для расчета динамических характеристик процесса Проведе-классификация этих уравнений по входящим в них параметрам яе и Я,, получены

стные решения на начальной и динамические характеристики на заключительной здиях горения. Рассмотрены особенности динамики давлений и распределений эростей (ускорений) и температур (плотностей) для одномерных пламен различной мметрии и направления распространения, в том числе для вращающегося газа.

2. Рассмотрена проблема физического моделирования аварийной ситуации в ре-ьных закрытых аппаратах в сферическом сосуде с центральным зажиганием. 5основан полуэмпирический метод моделирования динамики взрыва турбулизиро-нного газа и предложен метод расчета динамических характеристик взрыва и шульса активной нагрузки на основе особых свойств комплекса подобия п(я- 1)/<йпг. Для расчета скорости нарастания давления этот метод утвержден в честве государственного стандарта.

3. Рассмотрена проблема взрыва газа в полуограниченном объеме и записана оогая система уравнений, описывающая процесс горения газа в сосуде с истечени-I. Получены уравнения для массовой доли продуктов горения в открытой системе и в общающихся сосудах (второе уравнение обобщает известное соотношение Льюиса Эльбе для одиночного сосуда на произвольное число сообщающихся сосудов), «ведено одно из первых систематических экспериментальных исследований следовательного взрыва газа в системе из двух сосудов. Получены высокие скоро-л турбулентного горения (с фактором 40 по отношению к 5В), установлена природа зфекта аномально высокого давления во втором сосуде (с фактором 2,4 по отноше-ю к ?ге) и его зависимость от определяющих параметров процесса В (критерия >едли) и П (отношения объемов). В зависимости от величины параметра В 1явлены три возможных режима горения (причем при промежуточных значениях В )фект максимален). Впервые разработана математическая модель, описывающая оцессы горения и истечения в сообщающихся сосудах. Путем численных расчетов гановлены зависимости от параметров процесса фактора турбулизации пламени во эром сосуде Хг ■ необходимые при моделировании процесса.

4. Проведены, экспериментальные исследования горения газа в линейных стемах сообщающихся сосудов при больших блокадных отношениях (ВЯ=0,91-0,98) 4ИСлом камер от 5 до 19 и обнаружен стационарный режим распространения перед-го фронта волны горения (для стехиометрической лропановоздушной смеси со ско-

ростями 300-440 м/с). В последних сосудах отмечено превышение максимального дг ления над термодинамическим давлением взрыва ке. Разработаны математическ модели для трех режимов горения (основного режима одновременного горения, ре» ма последовательного горения и режима с затуханием и последующем реиницииров нии пламени в очередном сосуде). Численным моделированием ycтaнoвлe^ зависимости для коэффициентов турбулизации пламени в сосудах. Установлено, ч наблюдаемые явления определяются двумя основными элементарными процессам!-горением и истечением, имеющими место в каждом индивидуальном сосуде, а таю межкамерным взаимодействием этих процессов.

5. Впервые сформулирована физическая задача и разработана математическ; модель процесса объемного самовоспламенения газа перед фронтом пламени в з крытом сосуде. Получено аналитическое решение задачи, приводящее к критическо*\ условию самовоспламенения (новому в теории горения критерию пoдoб^

ы( = ('/Л*) Установлены условия протекания возможных режимов горения в сос

де: фронтального, совместного (со сменой режимов) и объемного. Обоснован дифф( ренциальный критерий само воспламенения вида ¿Лпви (сАпк — 1 и разработан алп ритм решения общей задачи о самовоспламенении газа при при произвольном закон адиабатического сжатия. В качестве конкретных примеров реализации рассмотрен двухкамерная система (проведен анализ самовоспламенения во втором сосуде) адиабатическая пушка, для которой разработаны методы определения макрокинетик к0>я,Е и задержки воспламенения топлива в дизеле, а также тарировки датчиков дэе ления в динамическом режиме.

6. Сформулирована и теоретически, с учетом экспериментальных данных разны авторов, обоснована гипотеза о природе явления стука или детонации в ДВС с искрс вым зажиганием как проблема конкуренции процессов фронтального и объемного гс рения. Разработана математическая модель, аналитически решена задача о самовос пламенении, приводящего к стуку или детонации и получено критическое условие сг мовоспламенения, являющееся комплексом характерных времен (процессов фрон

тального и объемного горения и сжатия поршнем ). Проведено численное мо

делирование пределов стука или детонации в плоскости п - <р, (частота вращения угол зажигания) в зависимости от степени сжатия е (а также коэффициента избытк; воздуха а и энергии активации суммарной реакции Е) и обнаружен полуостров само воспламенения. Сформулирован принцип подбора антидетонаторов: они должны ин гибировать низкотемпературрную объемную реакцию и промотировать высокотемпе ратурную во фронте пламени.

7. Рассмотрены некоторые примеры реализации самовоспламенения в ДВС:

a) Разработаны математические модели для расчета и моделирования задержи-воспламенения топлива в дизеле и газодизеле как периода индукции динамическогс теплового взрыва при воспламенении от сжатия. Проведены численные исследована задержек воспламенения топлива, результаты которых не противоречат известнык экспериментальным данным.

b) Сформулирована гипотеза о возможной причине жесткой работы газодизеля V разработана математическая модель для задачи о самовоспламенении локального объема на заключительной стадии горения (приводящего к возникновению ударных волн), включающая элементарную модель динамики выгорания заряда.

8. Получены уравнения энергии для многозонной модели процессов фронтально-и объемного горения в замкнутых объемах и ДВС, на основе которой разработаны:

a) Математическая модель самовоспламенения смеси перед фронтом пламени в 1С с искровым зажиганием на основе приближения детальной кинетики (для смесей ооктана и н-гептана с воздухом) для моделирования реального процесса в двигате-! со стуком или детонацией и поиска эффективных и безопасных антидетонаторов.

b) Разработана математическая модель процесса сгорания смеси в ДВС с искроим зажиганием с учетом равновесного состава продуктов горения в многозонном 1иближении с целью прогнозирования выбросов вредных веществ в атмосферу ключающих СН4, СО, ЛГО, Л/02> HCN, NH3, HNO3, С2оН,2 и другие) и выработки меро-'иятий по их снижению.

9. В качестве иллюстрации эффективности разработанных выше фундаменталь-.IX подходов к описанию процессов горения в ограниченных объемах и ДВС разрабо- ■ ны и численно исследованы следующие задачи:

a) Впервые разработана математическая модель процесса сгорания смеси в ДВС форкамерным зажиганием, учитывающая межкамерное взаимодействие процессов рения и истечения, на основе закономерностей последовательного горения газа в юбщающихся сосудах.

b) Проведены численные исследования особенностей динамики сгорания смеси в ЗС с искровым зажиганием при различных законах изменения поверхности пламени

целью адекватного моделирования процесса) и в камерах с различной реальной ометрией (симметричной и асимметричной) и дано численное подтверждение факта 1метного влияния на динамику сгорания смеси и индикаторный КПД цикла формы кэ-эры сгорания и места расположения точки зажигания.

c) Для турбулизированного пламени, распространяющегося а сферических сече-1ях симметричной камеры сгорания реальной геометрии, разработана математиче-:ая модель для расчета рабочего цикла с учетом процессов конвективного и радиа-гонного теплообмена с ограждающими поверхностями различной температуры.

Использование результатов. Результаты исследования были использованы при ззработке ГОСТа, подготовке учебных курсов в АлтГГУ им. И.И. Ползунова и в Ново-!бирском госуниверситете и легли в основу написания учебного пособия.

Основные результаты диссертационного исследования представлены в следующих .ботах:

1. Сеначин П.К. Метод определения динамических характеристик сгорания газа в сфери-:ском закрытом сосуде // Горючесть веществ и химические средства пожаротушения / Сбор, удов. Вып. б. М.: Изд-во ВНИИПО МВД СССР, 1979. С. З-б, (соавторы: Бабкин B.C., Бабу-ок В.И., Вьюн А.В.).

2. Сена чин П.К. Об явлении "стука" при сгорании газа в замкнутых объемах // Горючесть :ществ и химические средства пожаротушения / Сбор, трудов. Вып. 6. М.: Изд-во ВНИИПО ВД СССР, 1979. С. 7-9, (соавторы: Бабкин B.C.).

3. Сеначин П.К. Влияние пульсаций воздуха на горение пыли натурального твердого тол-ша Н Сжигание топлив с минимальными вредными выбросами / Тезисы докл. II Всесоюз. |уно-технич. семинара. Таллин: Изд-во АНЭССР, ¡978. С. 42-44.

4. Сеначин П.К. Самовоспламенение газов при быстром сжатии // Проблемы взрывобезо-ichocth технологических процессов / Тезисы докл. Всесоюз. научно-технич. конф. Северодо-:цк. Черкассы: Отдел. НИИТЭХИМ, 1980. С. 30-31, (соавторы: Бабкин B.C.).

5. Сеначин П К. Теоретический анализ явления "стука" в поршневых двигателях // вершенсгвование сельскохозяйственной техники для работы в условиях Сибири. Науч. тру Том 132. Новосибирск: Изд-во Новосиб. сельхоз. ин-та, 1980. С. 87-95, (соавторы: Вьюн А Бабкин B.C.).

6. Сеначин П К. Устройство для сжигания топлива. АС Л1> 857642 (СССР). Заявл. 28.05 № 27771767/24-06. Опубл. 23.08.81. Бк>л. № 31. 1981, (соавторы: Мальцев A.A., Бажов В Павлов Н.В., Пилягин В.Ф., Литинецкий В .Я., Шингель И.А., Гордеев В.Г., Волков В.И., У месов М.А.).

7. Сеначин П.К. Способ сжигания твердого топлива. АС № 868256 (СССР). Зая 24.08.79 № 2814218/24-06. Опубл. 30.09.81. Бюл. № 36. 1981, (соавторы: Мальцев A.A., Бая В.И., Павлов Н.В., Пилягин В.Ф., Литинецкий В.Я., Шингель И.А, Волков В.И., Утеме< М.А.).

8. Сеначин П.К. Самовоспламенение газа перед фронтом пламени в закрытом соеуд( Физика горения и взрыва. 1982. Т. 18, № 1. С. 3-8, (соавторы: Бабкин B.C.).

9. Сеначин П К. Динамика горения газа в смежных камерах // Пожарная профидакти Сбор. науч. трудов / Матер. VII Всесоюз. науч.-практ. конф. "Горение и проблемы тушен пожаров". M : Изд-во ВНИИПО МВД СССР, 1982. С. 107-Ш, (соавторы: Бабкин B.C.).

10. Сеначин П.К. Особенности динамики сгорания газа в закрытых сосудах при разн законах изменения поверхности пламени // Физика горения и взрыва. 1982. Т. 18, № 6. С. 1 20, (соавторы: Бабкин B.C., Крахтинова ТВ).

И. Сеначин П.К. Моделирование динамики взрыва газа в закрытых сосудах // Archiva Combustionis. 1982. V. 2, N s3/4. P. 227-241, (соавторы: Бабкин B.C., Бабушок В.И.).

12. Сеначин П.К. Анализ воспламенения в дизеле И Физика горения и методы ее исслед ваиия. Межвуз. сборник. Чебоксары: Изд-во Чуваш, гос, ун-та, 1983. С. 50-53, (соавторы: А дуллин Р.Х., Бабкин B.C.).

13. Сеначин П.К. Исследование горения газа в сообщающихся сосудах // Исследован: процессов неустойчивого горения. Межвуз. сборник. Чебоксары: Изд-во Чуваш, гос. ун-т 1984. С. 24-30, (соавторы: Ханина Т.М., Бабкин B.C.).

14. Сеначин П.К. Теория стука в газовых поршневых двигателях // Труды научной конс| посвящ. 10-лсггию АГУ / Алтайск. гос. ун-т. Барнаул, 1984. С. 33-36. Деп. ВИНИТИ 18.06.84: 4022-84, (соавторы: Абдуллин Р.Х.).

15. Сеначин П.К. К теории стука в поршневых двигателях, работающих на водороде Вопросы атомной науки и техники. Сер. Атомно-водородная энергетика и технология. 1985. J 2. С. 51-53, (соавторы. Абдуллин Р.Х., Бабкин B.C.).

16. Сеначин П.К. Поля скоростей и температур при горении вращающегося газа в закрь том сосуде //Физика горения и взрыва. 1986. Т. 22, № 3. С. 50-59, (соавторы: Бабкин B.C., М> наев С.С., Замашиков В.В.).

17. Senachin P.K. Combustion of Gases in Connected Vessels. Abstracts / Twenty-First Symj (Inter.) on Combustion. Pittsburg, Penn. / U.S. The Combustion Inst., Wash., 1986. P. 207, (соавторь Abdulün R H., Babkin V.S.).

18. Сеначин П.К. Теплообмен излучения прозрачного факела и физическое моделировг ние топочных процессов // Теплообмен в парогенераторах: Тезисы докл. Всесоюз. конф. Новс сибирск, Ин-т теплофизики СО АН СССР, 1988. С. 181-182, (соавторы: Алехин В.И., Симано В.И., Утемесов М.А.).

19. Сеначин II.K. Горение газа в сообщающихся сосудах // Физика горения и взрыва '88. Т. 24, Л"» 2. С. 3-12, (соавторы: Абдуллин Р.Х., Бабкин B.C.).

20. Сеначин П К. Прикладные вопросы физики горения: Учебное пособие / Под ред. M A. гемесоиа. Барнаул: Изд-зо Ллт. гос. ун-та, 1989. ¡02 е., (соавторы: Бухман C.B., Утемесов А., Чертищев В В.).

21. П.К. Сеначин. Закономерности перехода фронтального горения в детонацию в двига-лях с искровым зажиганием // Совершенствование быстроходных дизелей: Тезисы докл. ме-цунар. науч.-техн. конф. / Алт. гос. техн. ун-т им. И.И. Ползунова. Барнаул: Изд-во АлтГТУ, >93. С. 14-16, (без соавторов).

22. Сеначин П.К. Расчетное определение задержки воспламенения топлива в дизеле // Со-ршенствование рабочих органов сельхозмашин и агрегатов: Тезисы докл. междунар. науч -хн. конф. / Алт. гос. техн. ун-т им. И И. Ползунова. Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 1994. С. 93-95, оавторы: Матиевский Д.Д).

23. Сеначин П.К. Использование биологического газа в качестве моторного топлива дли ;игателей // Вузовская наука на международном рынке научно-технической продукции: Тези-I докл. междунар. науч.-техн. конф. / Алт. гос. техн. ун-т им. И.И. Ползунова. Барнаул: Изд-во тгГТУ, 1995. С. 75-76, (соавторы: Матиевский Д.Д., Свистула А.Е., Задюбовский М.Н.).

24. Сеначин ПК. Задача о самовоспламенении локального объема в газодизеле, рабо-ющем на сжатом природном газе // Рабочие процессы дизелей: Учебное пособие / Под ред. А. Вагнера, H.A. Иващенко, Д.Д. Матиевского. Барнаул: Изд-во АлтГТУ им. И.И. Ползунова. 195. С. 80-87, (соавторы: Матиевский Д.Д., Толстое В.Т.).

25. Сеначин П.К. Использование биологического газа в ДВС // Транспортные средства лбири. Состояние и проблемы: Матер, межвуз. науч.-иракт. конф. с междунар. участием .< эаснояр. гос. техн. ун-т. Красноярск: Изд-во КрасГТУ, 1995. С. 103-106, (соавторы: Матиев-ий Д.Д., Свистула А.Е., Веселов С.Б., Задюбовский М.Н.),

26. Сеначин П.К. Тарировка датчиков давления в динамическом режиме на установке .иабатического сжатия со свободным поршнем // Научно-техническое творчество студентов: 5ор. тезисов докл. 53-й науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и проф.-преподават. состава тгайского гос. техн. ун-та им. И.И Ползунова. Ч. 1. Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 1995. С. 174-'5, (соавторы: Задюбовский М.Н., Матиевский Д.Д.).

27. Сеначин П.К. Перевод двигателя на газообразное топливо // Совершенствование )щностньгх, экономических и экологических показателей ДВС: Тезисы докл. V науч.-практ. минара / Владимир, гос. техн. ун-т. Владимир: Изд-во ВладГТУ, 1995. С. 94-95, (соавторы: атиевский Д.Д., Свистула А.Е., Веселов С.Б., Задюбовский М.Н.).

28. Сеначин П.К. Моделирование задержки воспламенения топлива в дизеле на установке иабатического сжатия со свободным поршнем // Совершенствование мощносгных, экономи-ских и экологических показателей ДВС: Тезисы докл. V науч.-практ. семинара / Владимир с. техн. ун-т. Владимир: Изд-во ВладГТУ, 1995. С. 128-129, (соавторы: Залюбовский М.Н.).

29. Сеначин П.К. Задержка воспламенения топлива в дизеле как период индукции дина-1ческого теплового взрыва// Изв. ВУЗов. Машиностроение. 1995. № 4-6. С. 27-32, (соавторы: атиевский Д.Д.).

30. Сеначин П.К. Самовоспламенение смеси перед фронтом пламени в поршневых двига-лях с искровым зажиганием // Эволюция дефектных структур в конденсированных средах: 5ор. тезисов докл. III междунар. школы-семинара / Науч. ред. М.Д Старосгенков Барнаул: !д-во Алт. гос. техн. ун-та им. И.И. Ползунова, 1996. С. 71-72, (соавторы: Бабкин B.C., Бори-нко A.B.).

31. Сеначин П.К. Моделирование пределов стука или детонации в ДВС Н Технодо! производство транспортной техники: Сбор. науч. трудов отделения "Физико-технических блем транспорта" AT РФ I Под ред. О.В. Таратынова, В.В. Груздова. М.: МГИУ, 1996. С. 1 (соавторы: Матиевский Д.Д., Бабкин B.C.).

32. Сеначин П.К. Экспериментальное исследование и моделирование горения газа i нейных многокамерных системах II Химическая физика процессов горения и взрыва XI i поз. по горению и взрыву. Том 1. Часть первая. Черноголовка: Изд-во ИХФЧ РАН, 199 112-114, (соавторы: Бабкин B.C., Абдуллин Р.Х., Борисенко A.B.).

33. Сеначин П.К, Моделирование процесса сгорания смеси в ДВС с форкамерным з ганием // Химическая физика процессов горения и взрыва. XI Симпоз. по горению и взр Том 1. Часть вторая. Черноголовка: Изд-во ИХФЧ РАН, 1996. С. 294-295, (соавторы: Свер М.Ю., Матиевский Д. Д.).

34. Сеначин П.К. Обратная задача динамики самовоспламенения горючей смеси в ад* тической пушке со свободным поршнем // Исследования по баллистике и смежным вопр< механики / Сбор, статей СРЦ PAP АН под ред. И.Б. Богоряда. Томск: Изд-во Том. ун-та, 1 С. 65-70, (соавторы: Залюбовский М.Н., Сеначин А.П.),

35. Сеначин П.К. Математическая модель самовоспламенения смеси перед фронтом мен и в двигателе с искровым зажиганием // Экспериментальные методы в физике сгрукту неоднородных сред. Том 4. "Гидродинамика структурно-неоднородных сред": Труды Все научно-техн. конф. 12-14 сентября 1996 г., Барнаул / Алт. гос. ун-т, Алт. гос. псд. ун-т. Бари Изд-во АлтГТУ им. И.И. Ползунова, 1997. С. 76-80, (соавторы: Свердлов М.Ю., Антипов А

36. Сеначин П.К. Математическая модель процесса сгорания смеси в двигателе с ис: вым зажиганием с учетом равновесного состава продуктов горения // Экспериментальные тоды в физике структурно-неоднородных сред. Том 4. "Гидродинамика структу] неоднородных сред": Труды Всерос. научно-техн. конф. 12-14 сентября 1996 г., Барнаул/j гос. ун-т, Алт. гос. пед. ун-т. Барнаул: Изд-во АлтГТУ им И.И. Ползунова, 1997. С. 80 (соавторы: Свердлов М.Ю., Жгутова В.И.)

37. Сеначин П.К. Самовоспламенение газа в адиабатической пушке и метод определе макрокинетики горючих смесей // Экспериментальные методы в физике структур неоднородных сред. Том 4. "Гидродинамика структурно-неоднородных сред": Труды Все] научно-техн. конф. 12-14 сентября 1996 г... Барнаул / Алт. гос. ун-т, Алт. гос. пед. ун-т. Барн; Изд-во АлтГТУ им. И.И. Ползунова, 1997. С. 84-90, (соавторы: Стародубов О.Н., Сена А.П.).

38. Сеначин П.К. Особенности динамики сгорания смеси в ДВС с искровым зажигая при различных законах изменения поверхности пламени и в двигателе с камерой реалы геометрии // Экспериментальные методы в физике структурно-неоднородных сред. Toy "Гидродинамика структурно-неоднородных сред": Труды Всерос. науч.-техн. конф. 12-14 с тября 1996 г., Барнаул / Алт. гос. ун-т, Алт. гос. пед. ун-т. Барнаул: Изд-во АлггГТУ им. V Ползунова, 1997. С. 90-96, (соавторы: Свердлов М.Ю., Ильина М.А.).

39. Сеначин П.К. Горение газа в линейных системах сообщающихся сосудов: Препри; Ин-т хим. кинетики и горения СО РАН, Алтайский гос. техн. ун-т им. И.И. Ползунова. Бар ул. Изд-во АлтГТУ, 1997. 56 е., (соавторы: Абдуллин Р.Х., Бабкин B.C., Борисенко A.B.).

40. Сеначин П.К. Расчет задержки воспламенения топлива в дизеле // Исследование и Бершенствование быстроходных двигателей: Межвуз. сборник науч. трудов / Под ред. Л.В.! часва. Барнаул: Изд-во АлтГТУ им. И.И. Ползунова, 1997. С. 75-83, (соавторы: Матиева Д.Д., Залюбовский М.Н.).

41. Сеначин П.К. Переход фронтального горения в детонацню в двигателях с искровым сиганием//Исследование и совершенствование быстроходных двигателей: Межвуз. сборник -ч. трудов / Под ред. Л.В. Нечаева. Барнаул: Изд-во АлтГТУ им. И.И. Ползунова, 1997. С. С. 88, (без соавторов).

42. Сеначин П.К. Моделирование нредпламенного тепловыделения и проблема стука в >шневых двигателях с искровым зажиганием // Математическое моделирование и исследо-:ие процессов в ДВС: Учебное пособие / Под ред. В.А. Вагнера, H.A. Иващенко, В Ю. Руса-а. Барнаул: Изд-во АлтГТУ им. И.И Ползунова, 1997 С. 22-35, (соавторы. Бабкин В С , тиевский ДД).

43. Сеначин П.К. Уравнения энергии в многозонной модели процесса горения в двигате-с искровым зажиганием // Совершенствование мощностных, экономических и экологиче-X показателей ДВС. Матер. VI Междунар. научно-практ. семинара / Под ред. В.В. Эфроса. 1димир: Изд-во Владимир, гос. ун-та, 1997. С. 149-152, (соавторы: Матневский Д.Д., Сена-[ А.П.).

44. Сеначин П.К. Самовоспламенение смеси перед фронтом пламени в поршневых двига-ях с искровым зажиганием // Двигатель-97: Матер. Междунар. научно-техн. конф. М.: Изд-VirTy им. Н.Э. Баумана, 1997. С. 22-24, (соавторы: Матневский Д.Д., Бабкин B.C., Борисен-4..В.).

45. Сеначин П.К. Задержка воспламенения двухкомпонентного топлива в газодизеле и в еле, работающем на спиртах // Двигатель-97: Матер. Междунар. научно-техн. конф. М.: Изд-viny им. Н.Э. Баумана, 1997. С. 1J 6-118, (соавторы: Свистула А.Е., Матневский Д.Д.).

46. Сеначин П.К. Самовоспламенение локального объема в газодизеле // Двигатель-97: гер. Междунар. научно-техн. конф. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1997. С. 118-120, шторы: Свистула А.Е., Матневский Д.Д.).

47. Сеначшг П.К. Теория внутреннего взрыва: Учебное пособие / Под ред. П.К. Сеначина. наул: Изд-во АлтГТУ им. И.И. Ползунова, 1997. 124 е., (соавторы: Бабкин B.C., Матиев-

й Д Д).

48. Сеначин П.К. Самовоспламенение смеси перед фронтом пламени в поршневых двига-*х с искровым зажиганием// Физика горения и взрыва. 1997. Т. 33, № 6. С. 3-13, (соавторы: кин B.C., Борчсенко A.B.).

49. Сеначин П.К. Математическая модель процесса сгорания смеси в ДВС с форкамерным иганием И Сборник науч. трудов АлтГТУ им. И.И. Ползунова. Автотракторный факультег. 1. 8. Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 1998. С. 45-56, (соавторы: Свердлов М.Ю., Матневский

50. Сеначин П.К. Динамика горения в двигателе при различных законах изменения по-сности пламени // Сборник науч. трудов АлтГТУ нм. И.И. Ползунова. Автотракторный фа-ьтет. Вып. 8. Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 1998. С. 56-64, (соавторы: Ильина М.А., Свердлов

Сеначин Павел Кондратьевич

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ САМОВОСПЛАМЕНЕНИЯ И ГОРЕНИЯ В ОГРАНИЧЕННЫХ ОБЪЕМАХ И ДВИГАТЕЛЯХ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Подписано в печать 17.03.98. Формат 60/84 1/16. Печать - ризография. Объем 2,0 п.л. Тираж 100 экз. Заказ 22/98.

Издательство Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова, 656099, г. Барнаул, пр-т Ленина, 46.

Лицензия на издательскую деятельность ЛР № 020822 ог 21.09.93. Лицензия на полиграфическую деятельность ПЛД№ 28-35 от 15.07.97.

Отпечатано в ЦОП Алт ГТУ 656099, г. Барнаул, пр-т Ленина, 46.

/

.- . . /

АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени И.И. Ползунова

СЕНАЧИН Павел Кондратьевич

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ САМОВОСПЛАМЕНЕНИЯ И ГОРЕНИЯ В ОГРАНИЧЕННЫХ ОБЪЕМАХ И ДВИГАТЕЛЯХ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Специальности: 05.04.02 - Тепловые двигатели, 01.04.14 - Теплофизика

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научные консультанты: д.ф.-м.н., профессор Бабкин B.C.,

*йД.Д.

На правах рукописи УДК 536.46 + 621.43

/

Барнаул 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ......................................7

1. ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЗРЫВА ГАЗА В ОГРАНИЧЕННОМ ОБЪЕМЕ.......................................................................28

1.1. Постановка задачи. Одномерные процессы.....................................28

1.2. Условия на фронте пламени................................................................31

1.3. Массовая доля продуктов взрыва.......................................................33

1.4. Координата пламени............................................................................37

1.5. Средние плотность и температура продуктов взрыва......................40

1.6. Скорость выгорания газа.....................................................................41

1.7. Пространственная скорость пламени.................................................43

1.8. Комбинированные уравнения..............................................................46

1.9. Уравнения динамики, их решения и анализ.......................................47

1.10. Начальная и конечная стадии процесса...........................................53

1.11. Распределения температуры и плотности в продуктах взрыва.....56

1.12. Скорость и ускорение газа.................................................................59

1.13. Распределение скоростей во вращающемся газе...........................64

1.13.1. Горение вращающегося газа.........................................................64

1.13.2. Поле тангенциальных скоростей при горении газа...................67

1.14. Выводы по главе.................................................................................70

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ ВЗРЫВА ГАЗА В ОГРАНИЧЕННОМ ОБЪЕМЕ.......................................................................72

2.1. Общие замечания. Турбулентный взрыв.......................... ..........72

2.2. Обоснование полуэмпирического метода моделирования динамики взрыва турбулизированного газа в реальных закрытых аппаратах......,.75

2.3. Уравнения динамики турбулентного взрыва................ ............77

2.4. Моделирование динамики взрыва газа в замкнутых объемах..........81

2.4.1. Модельный взрыв в сферическом сосуде и

комплексы подобия.......................................................................................81

2.4.2. Начальная и конечная стадия взрыва ...........................................84

2.4.3. Анализ комплексов подобия............................................................87

2.4.4. Взрыв в несферическом сосуде......................................................90

2.4.5. Взрыв турбулизированного газа....................................................91

2.5. Метод расчета динамических характеристик взрыва и импульса активной нагрузки........................................................................................94

2.6. Выводы по главе..................................................................................96

3. ВЗРЫВ ГАЗА В СООБЩАЮЩИХСЯ СОСУДАХ...................................97

3.1. Общие замечания................................................................................97

3.2. Взрыв газа в полуограниченном объеме...........................................99

3.2.1. Краткий обзор...................................................................................99

3.2.2. Массовая доля продуктов взрыва в открытой системе..........101

3.2.3. Взрыв газа в одиночном закрытом сосуде с истечением.........103

3.3. Взрыв газа в системе двух сообщающихся сосудов.......................104

3.3.1. Явления, наблюдаемые в двух сообщающихся сосудах.............105

3.3.2. Массовая доля продуктов горения в сообщающихся сосудах ...110

3.3.3. Оценка эффекта аномально высокого давления.......................111

3.3.4. Математическая модель процесса.............................................112

3.3.5. Экспериментальная установка и измерения..............................115

3.3.6. Результаты экспериментов и расчетов....................................120

3.4. Выводы по главе.................................................................................124

4. ГОРЕНИЕ ГАЗА В ЛИНЕЙНОЙ СИСТЕМЕ СООБЩАЮЩИХСЯ

СОСУДОВ..................................................................................................126

4.1 Краткий обзор......................................................................................126

4.2. Экспериментальное исследование...................................................129

4.2.1. Экспериментальная установка и измерения..............................129

4.2.2. Динамика скорости переднего фронта пламени........................129

4.2.3. Динамика давления.........................................................................135

4.2.4. Режим стационарного распространения пламени.....................141

4.2.5. Неустановившиеся режимы горения............................................144

4.2.6. Влияние граничных условий...........................................................147

4.3. Математическая модель и моделирование......................................150

4.3.1. Система уравнений процесса........................................................150

4.3.2. Начальные и граничные условия...................................................155

4.3.3. Модель последовательного горения............................................155

4.3.4. Модель одновременного горения..................................................156

4.3.5. Охлаждение продуктов горения в сосуде.....................................160

4.3.6. Режим с гашением и реинициированием пламени......................162

4.3.7. Результаты расчета динамики процесса...................................164

4.4. Выводы по главе.................................................................................174

5. САМОВОСПЛАМЕНЕНИЕ ГАЗА ПЕРЕД ФРОНТОМ ПЛАМЕНИ В ЗАКРЫТЫХ СОСУДАХ И ПРИ АДИАБАТИЧЕСКОМ СЖАТИИ.............176

5.1. Анализ самовоспламенения газа перед фронтом пламени в закрытом сосуде.........................................................................................176

5.1.1. Постановка задачи, приближенное решение и условие самовоспламенения на пределе..............................................................177

5.1.2. Дифференциальный критерий, численные решения, влияние теплопотерь и оценка возможности образования градиентов давления...............................................................................181

5.1.3. Сравнение различных критериев самовоспламенения..............187

5.1.4. Некоторые замечания....................................................................189

5.2. Экспериментальное исследование самовоспламенения газа перед фронтом пламени......................................................................................190

5.3. Общая задача о самовоспламенении газа при адиабатическом сжатии............................................................................195

5.4. Самовоспламенение при горении в сообщающихся сосудах.........199

5.5. Самовоспламенение газа при адиабатическм ортии.....................204

5.5.1. Установка адиабатического сжатия со свободным поршнем ..204

5.5.2 Самовоспламенение смесей в адиабатической пушке................206

5.5.3. Определение констант макрокинетики методом обратной задачи самовоспламенения......................................................................211

5.6. Определение задержки воспламенения топлива в дизеле на установке адиабатического сжатия..........................................................213

5.6.1. Законы сжатия в дизеле и адиабатической пушке.....................213

5.6.2. Условия совпадения индикаторных диаграмм.............................215

5.6.3. Тарировка датчиков давления в динамическом режиме.............218

5.7. Выводы по главе.................................................................................219

6. ПРОЦЕССЫ САМОВОСПЛАМЕНЕНИЯ В ДВС..................................222

6.1. Исследование явления стука или детонации в поршневых ДВС с искровым зажиганием................................................................................222

6.1.1. Обзор представлений о механизме стука и попытки теоретического описания явления........................................................223

6.1.2. Постановка задачи. Математическая модель...........................228

6.1.3. Аналитическое решение................................................................232

6.1.4. Обсуждение теоретических результатов..................................235

6.1.5. Моделирование пределов стука или детонации в ДВС.............244

6.2. Уравнения энергии в многозонной модели процессов фронтального и объемного горения в замкнутом объеме и ДВС..........249

6.3. Математическая модель самовоспламенения смеси перед фронтом пламени в ДВС с искровым зажиганием на основе сокращенной кинетической схемы для смеси изооктана и н-гептана с воздухом..................253

6.3.1. Постановка задачи. Математическая модель...........................253

6.3.2. Блок химических уравнений............................................................256

6.4. Задержка воспламенения топлива в дизеле как период индукции динамического теплового взрыва.............................................................258

6.5. Математическая модель для расчета задержки воспламенения топлива в газодизеле................................................................................267

6.6. Задача о самовоспламенении локального объема в газодизеле ..272

6.6.1. Элементарная модель динамики выгорания заряда..................275

6.6.2. Математическая модель процесса..............................................277

6.7. Выводы по главе.................................................................................280

7. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ В ДВС.........................283

7.1. Моделирование процесса сгорания смеси в ДВС с форкамерным зажиганием........................................................................283

7.2. Математическая модель процесса сгорания смеси в ДВС с искровым зажиганием с учетом равновесного состава продуктов горения...........288

7.2.1. Математическая модель...............................................................290

7.2.2. Блок химических уравнений............................................................291

7.3. Динамика сгорания смеси в ДВС с искровым зажиганием

при различных законах изменения поверхности пламени.....................294

7.4. Особенности динамики сгорания смеси в ДВС с камерами различной реальной геометрии................................................................303

7.5. Конвективный и радиационный теплообмена в двигателе.............313

7.6. Выводы по главе.................................................................................320

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ..................................................322

ЛИТЕРАТУРА.............................................................................................333

ПРИЛОЖЕНИЕ...........................................................................................385

ОБОЗНАЧЕНИЯ ........................................................................................392

ВВЕДЕНИЕ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Моделирование процессов самовоспламенения и горения гомогенных газовых смесей в ограниченных объемах сложной геометрии представляет собой фундаментальную задачу, решение которой имеет теоретическое и практическое значение для изучения закономерностей горения в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) различных типов, а также обеспечения пожаровзрывобезопас-ности шахтных объектов и оборудования, сосудов и реакторов химической и газовой промышленности, объектов традиционной и атомной энергетики, новой авиационной и космической техники. Аварийное воспламенение и последующее горение (взрывы) газовоздушных смесей в промышленности наносят большой материальный ущерб обществу и нередко приводят к человеческим жертвам [1]. Современные методы расчета и соответствующие конструктивные и профилактические мероприятия еще не позволяют полностью исключить условия, при которых возможны воспламенения и взрывы горючих смесей в неконтролируемых условиях.

Результаты моделирования процессов самовоспламенения и горения в ДВС могут быть использованы для оптимизации рабочих процессов с целью повышения надежности, экономичности и экологической безопасности транспортных двигателей, так и для решения ряда проблем теории горения смеси в современных быстроходных двигателях, например проблемы жесткого сгорания или "стука". Моделированию и оптимизации рабочих процессов в ДВС посвящены работы Н.М. Глаголева, Б.М. Гончара, И.й. Вибе, О.Г. Красовского, М.Г. Круглова, P.M. Петриченко, Н.К. Шокотова, Н.С. Ханина, А.Э. Симеона, В.Д. Сахаревича, Н.Х. Дьяченко, В.З. Махова, Ю.Б. Свиридова, Н.Ф. Разлейце-ва, A.C. Куценко, С.А. Батурина, H.A. Йващенко, М.С. Ховаха, Н.П. Третьякова, Р.З. Кавтарадзе , Д.Д. Матиевского, Л.М. Жмудяка, В.А. Синицына и многих других отечественных и зарубежных ученых [2-24]. Однако, что касается процессов самовоспламенения и горения в ДВС, а также экологических задач,

применительно к использованию как традиционных нефтяных так и новых перспективных топлив, то математические модели и соответствующие методы расчета в настоящее время разработаны недостаточно. По нашему мнению, модели процессов горения в ДВС должны опираться на современные теоретические и экспериментальные достижения в области исследования процессов горения в замкнутых системах постоянного объема. Такого же мнения придерживается ряд исследователей, например, А.Н. Воинов, В П. Карпов, B.C. Бабкин и др. [25-27].

Основы теории горения газа в закрытом сосуде были заложены в работах Нагеля (Nagel А., 1908), Фламма и Махе, Льюиса и Эльбе, Фиока и других [2831]. В последующих работах исследования процессов горения гомогенных газовых смесей в замкнутых объемах получили дальнейшее развитие [32-78]. Некоторые вопросы динамики горения газа, и прежде всего, в сферическом сосуде с центральным зажиганием, освещены в монографиях [79-89].

В большинстве аварийных ситуаций имеет место воспламенение смесей нестехиометрических концентраций, обычно приводящее к дефлаграционному сгоранию газа в замкнутом объеме [90, 91]. Хотя при этом, по крайней мере на начальной стадии процесса, обычно реализуется динамика горения газа в сферическом сосуде с центральным зажиганием, она далеко не является единственно возможной, поскольку часто приходится иметь дело с сосудами сложной геометрии. Отметим, что в модельных задачах о сгорании гомогенных горючих смесей в закрытых сосудах обычно рассматриваются расходящиеся сферические пламена. В этом случае реализуется закон изменения площади поверхности пламени (площади фронта пламени), при котором площадь увеличивается пропорционально квадрату его радиуса. Этот закон, однако, имеет весьма ограниченное применение, являясь частным случаем в практике. С другой стороны, закон изменения поверхности - один из главных факторов, определяющих основные черты динамики процесса: скорость превращения вещества, скорость

нарастания давления, распределение скоростей газа и т.д. В связи с этим исследование общих свойств и особенностей динамики сгорания газа при разных законах изменения поверхности пламени в ограниченных объемах и ДВС представляет значительный интерес.

В качестве модельных законов изменения поверхности пламени целесообразно выбрать законы, реализующиеся при распространении расходящихся и сходящихся пламен со сферической, цилиндрической и плоской симметриями. Такие пламена дают широкие и вместе с тем последовательные вариации площади поверхности пламени, имитирующие широкий круг реальных процессов. С помощью этих модельных законов сгорания или их комбинаций, по-видимому, могут быть описаны реальные процессы горения газа в сосудах сложной геометрии. Кроме того, эти пламена представляют самостоятельный интерес при теоретических исследованиях характеристик пламен и закономерностей процессов горения. Сходящиеся пламена использовались, например, при изучении влияния кривизны пламени на скорость горения [92], при анализе процессов фронтального и объемного горения (например, в ДВС)[93]; цилиндрические пламена - при исследованиях гашения пламени во вращающемся газе [94] и сжигании газа во в вращающихся потоках [95]; плоские - в качестве простейшей модели пламен, распространяющихся в трубах [96].

Как известно, нестационарное распространение пламени в закрытом сосуде порождает сложное распределение скоростей и температур в свежем газе и продуктах горения [52, 79, 89, 97]. В цитированных работах рассматривались отдельные вопросы распределения температур и скоростей на фронте пламени и в сосуде, в основном, для расходящегося сферического пламени. Однако, в настоящее время отсутствуют работы обобщающие динамику распределения температур и скоростей для всех видов одномерных пламен, в том числе и для сходящихся пламен в ограниченном объеме.

Разработка методов и средств взрывозащиты производственных зданий, хранилищ топлив, технологического оборудования и других промышленных объектов [98] тесно связана с проблемой моделирования процессов горения в аварийных ситуациях. Горение в аварийных ситуациях - взрыв - характеризуется многообразием конкретных условий. Горение может быть гомогенным и гетерогенным, горючая среда - однородной и неоднородной. Состав среды и ее термодинамическое состояние могут изменяться в широких пределах. Разнообразны формы и размеры ограниченных пространств, в которых происходят взрывы на практике. В каждом отдельном случае взрыва возможна реализация одного или нескольких явлений горения - ламинарного и турбулентного распространения пламени, самовоспламенения, детонации и т.д.

Учитывая взаимосвязь перечисленных процессов и многообразие условий их протекания, следует отметить необходимость разработки простых моделей, способных дать информацию об основных характеристиках возможного взрыва в аварийной ситуации путем расчета или по данным лабораторных испытаний. При этом, основными факторами, подлежащими учету при моделировании, являются наличие химического превращения (скорость и величина энерговыделения) и нестационарное движение среды.

В качестве одной из таких простых моделей может быть выбрана модель ламинарного пламени в сферическом закрытом сосуде. При соответствующем учете дополнительных факторов, таких как турбулентность, гетерогенность, сжимаемость, теплообмен и других, эта исходная модель, по-видимому, может быть развита для тех случаев, когда эти факторы играют существенную роль. Следует отметить имеющееся в настоящее время �