ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2014, том 33, № 1, с. 25-31
ГОРЕНИЕ, ВЗРЫВ ^^^^^^^^^^^^ И УДАРНЫЕ ВОЛНЫ
УДК 66.011; 547.211
МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ БЕДНОЙ МЕТАНОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ ПРИ ЕЕ СЖАТИИ
И ТЕПЛОВОЙ АКТИВАЦИИ © 2014 г. В. М. Шмелев*, Г. Н. Мохин**, В. М. Николаев
Институт химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук, Москва E-mail: *shmelev@chph.ras.ru; **mokhin@gmail.com Поступила в редакцию 24.12.2012
В настоящей работе проведено численное моделирование нестационарного воспламенения бедной метановоздушной смеси при сжатии ее поршнем и нагреве с помощью горячей теплоаккумулирую-щей вставки. Предложена численная схема для одномерной газодинамической модели с давлением, зависящим от времени и не зависящим от координаты. Показано, что наличие горячей вставки позволяет существенно снизить относительное давление сжатия, необходимое для воспламенения смеси, по сравнению с воспламенением в свободном объеме. Очаг воспламенения образуется внутри теплоаккумулирующей вставки, и его положением можно управлять, варьируя геометрию вставки.
Ключевые слова: бедные метановоздушные смеси, воспламенение, реактор быстрого сжатия, горение в пористой среде, численное моделирование.
Б01: 10.7868/80207401X14010117
ВВЕДЕНИЕ
Оптимизация воспламенения и горения топ-ливовоздушных смесей в двигателях внутреннего сгорания остается одной из наиболее актуальных задач науки и технологии горения. Исследованию горения топливовоздушных смесей с применением пористых материалов посвящено множество работ, в которых пористый материал применялся для улучшения распыления топлива, каталитической конверсии, рекуперации тепла и реализации сверхадибатических режимов горения [1]. Требования к эффективности процессов горения и снижению вредных выбросов становятся все более жесткими, и необходимы новые способы организации рабочего процесса в двигателях, допускающие сжигание бедных смесей. В бедной смеси с избытком окислителя полнота сгорания увеличивается, одновременно снижается максимальная температура в пламени. Оба эти фактора уменьшают количество вредных выбросов.
Для оптимизации сгорания бедных смесей в двигателях внутреннего сгорания можно использовать сверхадиабатические эффекты, вследствие которых часть исходной смеси разогревается до температуры, превосходящей адиабатическую температуру горения, достигаемую при сжигании смеси обычными способами [2]. При сверхадиабатическом нагреве часть тепла, выделяющегося при сгорании смеси, передается в исходную смесь. Та-
ким образом, для оптимизации процесса сгорания в [3] было предложено использовать рекуператор тепла, так называемый тепловой активатор (ТА), установленный внутри самой камеры сгорания. Он накапливает тепло продуктов, выделяющееся при сгорании смеси, и затем передает это тепло свежей порции смеси, облегчая ее воспламенение. Тем самым удается организовать замкнутый цикл теплообмена непосредственно внутри цилиндра двигателя внутреннего сгорания, избегая усложнения конструкции. Такой подход к сжиганию бедных смесей обеспечивает устойчивое и экологически чистое горение. В связи с этим возникает задача моделирования этого процесса для определения параметров оптимальных режимов работы.
В настоящей работе проведено численное моделирование нестационарного горения бедных метановоздушных смесей в модельном реакторе сжатия с ТА — горячей теплоаккумулирующей вставкой, размещенной в торце цилиндрической камеры сжатия. Газ в цилиндре сжимается поршнем и дополнительно нагревается тепловым активатором. Газодинамическая модель учитывает неравномерное распределение температуры и плотности в газе при условии, что давление в цилиндре зависит от времени, но слабо зависит от координаты. Предложена численная схема, позволяющая моделировать воспламенение газа в приближении постоянного давления во всем объеме камеры сгорания.
т „
Б
Ь
Рис. 1. Модель реактора (машины) быстрого сжатия с теплоаккумулирующей вставкой. Зона 1 — теплоакку-мулирующая вставка, зона 2 — свободный объем цилиндра.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Схема модельной установки показана на рис. 1. Установка представляет собой цилиндр, один торец которого закрыт непроницаемой перегородкой. В закрытом торце установлена ТА — теплоаккуму-лирующая вставка с развитой поверхностью, не препятствующая движению газа. Такая вставка может быть сделана, например, из тонкостенных коаксиальных элементов или высокопористой керамики. Со стороны другого торца в цилиндр может вдвигаться поршень, сжимающий газ. Таким образом, в цилиндре можно выделить две зоны: зона 1 (теплоаккумулирующая вставка длиной Ь) и зона 2 (свободный объем).
Данная схема конструктивно напоминает реактор (машину) быстрого сжатия, который используется в исследованиях кинетики химических реакций. Однако важное отличие от реактора быстрого сжатия состоит в том, что часть объема цилиндра занята теплоаккумулирующей вставкой, которая взаимодействует с газом по всему сечению цилиндра. Эта конструкция обеспечивает важное преимущество по сравнению с обычным реактором быстрого сжатия, в котором поршень вдвигается в свободный объем цилиндра. Во-первых, как уже было отмечено, из-за взаимодействия газа с горячей вставкой смесь прогревается и воспламеняется быстрее, чем в свободном объеме. Во-вторых, вставка прогревает газ по всему сечению цилиндра. Вследствие этого воспламенение смеси происходит не в локальном точечном очаге, а в зоне по всему сечению и одномерный фронт горения образуется быстрее и распространяется более устойчиво.
В моделировании воспламенения в реакторе быстрого сжатия проблема образования очага воспламенения является сложной и не получила своего полного решения вплоть до настоящего времени. Такой очаг возникает там, где из-за не-однородностей потока (а в эксперименте — часто еще и из-за пылевых микрочастиц в газе) температура локально превышает среднюю в системе. Моделирование возникновения очага требует ре-
шения сложной газодинамической задачи взаимодействия неодномерного течения, вызванного движением поршня, со стенками цилиндра. При этом образуются рециркуляционные зоны [4] и интерпретация результатов кинетических экспериментов по воспламенению топлив существенно усложняется. Обработка результатов проводится в предположении, что в машине быстрого сжатия сохраняется адиабатическое ядро в центральной части цилиндра [5], но взаимодействие течения со стенками, теплопотери в стенки и отмеченные выше факторы образования очага приводят к разбросу экспериментальных данных [6].
Схема, в которой сжимаемый газ дополнительно нагревается горячей вставкой, позволяет избежать этих трудностей благодаря тому, что воспламенение происходит прогнозируемым образом в зоне горячей вставки. Изменяя конструкцию, коэффициент теплоотдачи и температуру вставки, можно управлять положением зоны воспламенения и временем задержки воспламенения. В связи с этим возникает необходимость разработать математическую модель воспламенения смеси при наличии горячей вставки и проанализировать оптимальные режимы этого процесса.
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ И ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ
Пусть в начальный момент времени цилиндр заполнен исходной метановоздушной смесью с коэффициентом недостатка топлива ф < 1 и начальной температурой Т0, а теплоаккумулирующая вставка имеет начальную температуру Ть , существенно превышающую Т0. Свяжем начало координатной оси х с закрытым торцом. С правого торца зоны 2 в момент времени t = 0 начинает движение поршень массой т с начальной скоростью и0. Обозначим начальное положение поршня через Ь0 > Ь. С обратной стороны поршня поддерживается постоянное давление Р0.
При движении поршня газ в цилиндре приходит в движение и начинает нагреваться вследствие его сжатия. Кроме того, в зоне 1 газ дополнительно нагревается горячей вставкой. Так как теплоаккумулирующая вставка передает тепло в газ, процесс нагрева газа не является адиабатическим и использовать известные закономерности для адиабатического нагрева газа в замкнутом сосуде нельзя. Вообще говоря, полное описание движения газа в этой системе представляет собой сложную газодинамическую задачу для реагирующего газа с неоднородным распределением давления, плотности, концентраций компонентов и температуры. В настоящей работе развивается упрощенная математическая модель, опирающаяся на следующие предположения.
Для описания химической реакции используется глобальная одностадийная схема:
фСН4 + 202 + 7.52М2 ^ фС02 + + 2фН20 + (2 - 2ф)02 + 7.52М2,
где ф < 1 — коэффициент недостатка топлива.
В работе [7] изучалась применимость данной схемы для моделирования горения бедных и богатых смесей со следующим выражением для скорости реакции:
¿[СН4]/А = А[СН4][02]ехр(—Е/КГ). (1)
Здесь квадратными скобками обозначены молярные концентрации компонентов, А — предэкспо-ненциальный фактор, Е — энергия активации химической реакции, К — универсальная газовая постоянная, Г — температура. Было установлено, что эта схема хорошо описывает зависимости температуры горения и скорости распространения ламинарного фронта пламени от коэффициента недостатка топлива, наблюдаемые в эксперименте, если для кинетических параметров в бедной области используются следующие эмпирически найденные выражения:
А = 6.9 • 1014 см3/моль • с, Е = 132 кДж/моль. (2)
Одностадийная схема химической реакции дает хорошие результаты при моделировании бедных смесей, когда исследуются закономерности, связанные с температурными эффектами, а не с кинетикой реакций свободных радикалов. В данной работе изучается именно этот случай.
Будем считать, что скорость движения поршня много меньше скорости звука и что характерное время сжатия много больше времени, необходимого для релаксации неоднородностей давления по координате. В этом случае давление внутри цилиндра будет выражаться функцией, зависящей только от времени и не зависящей от координаты.
В уравнении сохранения энергии необходимо учитывать сжатие газа поршнем и теплопередачу от горячей вставки. Выражение для коэффициента теплопередачи а зависит от конструкции вставки и будет уточнено ниже. Будем считать, что теплообменом газа со стенками цилиндра
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.