Численное исследование перехода турбулентного горения в детонацию в газах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.05, кандидат физико-математических наук Алиари Шурехдели Шабан

• Алиари Шурехдели Шабан
• кандидат физико-математических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Алиари Шурехдели Шабан

Введение

1. Состояние вопроса

1.1. Общая история проблемы.

1.2.Обзор научных проблем, возникающих при моделировании горения в многокомпонентных газовых смесей.

1.2.1. Особенности математического описания исследуемой среды.

2. Математическая модель турбулентного течения смеси реагирующих газов

2.1.Моделирование динамики многокомпонентной газовой смеси.

2.1.1. Осреднение характеристик сжимаемой среды.

2.1.2. Осредненные по Фавру уравнения динамики многокомпонентной газовой смеси.

2.1.3. Моделирование турбулентности в рамках ка-эпсилон модели.

2.1.4. Рабочий вид уравнений, моделирующих многокомпонентную газовую смесь.

2.1.5. Уравнения динамики многокомпонентной газовой смеси в цилиндрической системе координат.

2.1.6. Химические взаимодействия в многокомпонентной газовой смеси.

2.1.7. Граничные условия для характеристик многокомпонентной газовой смеси.

2.1.8. Начальные условия в многокомпонентной газовой смеси.

2.2.Моделирование зажигания смеси.

3. Численная модель турбулентного горения многокомпонентной газовой смеси и ее алгоритмическая реализация 40 3.1.Численный расчет параметров смеси.

3.1.1. Расчетная сетка для полей характеристик смеси.

3.1.2. Векторная запись основных газодинамических уравнений.

3.1.3. Расщепление временного шага по процессам.

3.1.4. Стадия применения локального источника.

3.1.5. Стадия учета конвективных потоков.

3.1.6. Стадия учета вязких или диффузионных членов уравнений.

4. Результаты вычислений 70 4.1. Верификация теоретической модели.

4.2.Изменение давления, температуры и скорости фронта при переходе горения в детонацию.

4.3.Влияние параметров зажигания, начальной температуры и начальной турбулентной энергии на преддетонационную длину и преддетонационное время в гладкой трубе.

4.3.1. Влияние параметров зажигания и начальной турбулентной энергии на преддетонационную длину и преддетонационное время.

4.3.2. Влияние начальной температуры на преддетонационную длину и преддетонационное время.

4.4.Влияние камер в секции зажигания.

4.4.1. Влияние количества камер на преддетонационную длину и преддетонационное время.

4.4.2. Влияние длины камеры и длины участки трубы, соединяющего камеры, на преддетонационную длину и преддетонационное время в четырехкамерной трубе.

4.4.3. Влияние перепада размеров поперечных сечений на преддетонационную длину и преддетонационное время в четырехкамерной трубе.

4.4.4. Влияние условий зажигания и начальной температуры на пред детонационную длину и преддетонационное время в четырехкамерной трубе.

4.4.5. Влияние начальной турбулентной энергии на преддетонационную длину и преддетонационное время в четырехкамерной трубе.

4.4.6. Влияние коэффициента эквивалентности на преддетонационную длину и преддетонационное время в четырехкамерной трубе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Численное исследование перехода турбулентного горения в детонацию в газах»

Актуальность темы. Изучение различных аспектов процесса возникновения детонационных волн в горючих газах является проблемой большой практической важности, ибо от ее эффективного решения зависят принципы организации рабочего процесса в энергетических установках на горении, а также пути развития техники взрывобезопасности.

При случайных взрывах на химических предприятиях детонационные волны чаще всего инициируются ускоряющимся пламенем. Следовательно, теоретический анализ развития детонации от начального очага горения и выяснение влияния, которое могут оказать на этот процесс свойства среды и ее конфигурация оболочки, имеют большое значение для практики. Особой интерес представляет расстояние между точками, где начинается горения и где окончательно формируется стационарная детонационная волна. Повышение внимания к процессу перехода горения в детонацию вызвано новейшими разработками пульсирующих детонационных устройств. Вероятное использование принципов детонации в создании новых поколений двигателей поместил проблему перехода горения в детонацию на вершине современных исследований. Переход горения в детонацию является ключевым фактором, который характеризует цикл операции пульсирующего детонационного двигателя. Поэтому стала острой проблема управления переходом горения в детонацию в газо-воздушных смесях.

Настоящая работа посвящена как теоретическим, так и программно-алгоритмическим аспектам моделирования горения многокомпонентных газовых смесей. В работе подробно рассматриваются этапы построения математической модели и ее численного представления; приведены результаты расчетов для случая осесиметричного горения в закрытом объеме, которые сравниваются с экспериментальными данными.

Цели и задачи исследования. Проблема, решаемая настоящим исследованием - разработка математической и вычислительной модели горения многокомпонентных газовых смесей с учетом турбулентности течения и химических превращений, которая дает возможность исследовать влияние различных факторов на процесс перехода горения в детонацию. На пути указанного результата стоят следующие задачи:

• Моделирование динамики многокомпонентной газовой смеси -турбулизованной смеси химически реагирующих газов с объемным потоком энергии от источника зажигания. При этом используется ка-эпсилон модель турбулентности с уравнением динамики среднего квадрата отклонения температуры.

• Моделирование химических процессов в многокомпонентной газовой смеси. Для этого в настоящей диссертации использован кинетический механизм, состоящий из двенадцати газовых компонент, включая радикалы, и тридцати пяти обратимых реакций между ними.

• Общая постановка задачи для закрытого объема, включая граничные, начальные условия, способ инициирования горения, симметрию системы и др.

• Построение численной модели, ее реализация и расчеты конкретных задач. Сравнение результатов расчета с экспериментальными данными.

• Определение направлений дальнейшего развития модели.

Научная новизна. Научная новизна настоящей диссертации заключается в следующем:

• Разработана новая модель горения многокомпонентной газовой смеси в закрытом объеме.

• В модели учтены турбулентности и химические реакции. Турбулентность учитывается с помощью ка-эпсилон модели и уравнением динамики среднего квадрата отклонения температуры. Кинетический механизм химических реакций учитывает тридцать пять обратимых реакции.

• Численная модель процесса состоит из расчета конвективной, диффузионной и локальной стадии. Для реализации:

- конвективной стадии разработан метод расщепления разности потока для описания турбулентного реагирующего течения в рамках ка-эпсилон модели.

- диффузионной стадии использован явный метод.

- локальной стадии химических реакций, разработан алгоритм решения получающихся дифференциальных уравнении независимо для каждой расчетной ячейки, характерными качествами которого являются высокая надежность (применимость практически при любых заданных конечных скоростях элементарных реакций), скорость работы и точность.

- локальной стадии динамикой турбулентной энергии и среднего квадрата отклонения температуры использовались неявные методы решения получающихся уравнений независимо для каждой расчетной ячейки.

• Проведены расчеты по полученной модели с выявлением деталей процесса и со сравнением с экспериментальными данными.

Практическая значимость работы состоит в реализации теоретических исследований и методических выводов в виде замкнутой и пригодной к численной реализации математической модели процессов горения многокомпонентных газовых смесей, а также рабочих алгоритмов и программ, позволяющих проводить расчеты по этой модели. Модель позволяет рассчитывать изменение распределенных в пространстве параметров среды: давления, температуры, плотности, концентрации химических компонент, скорости и степени турбулизации газа. Кроме этого, модель позволяет определить положение и скорость фронта горения. В связи с практической актуальностью тематики исследования перехода горения в детонацию как на предмет оценки взрывоопасности промышленных объектов, так и на предмет разработки пульсирующих детонационных двигателей, эта модель может иметь значительные перспективы.

Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечивается применением в исследованиях общих уравнений механики многокомпонентных сред и подтверждается сравнением результатов с теоретическими и экспериментальными данными.

Апробация работы. Результаты диссертации опубликованы в:

1. Ш.Алиари Шурехдели, В.Ф.Никитин, Расчет химических процессов в многокомпонентной смеси идеальных газов, Ломоносовские чтения, Апрйль2003, р.20.

2. Ш.Алиари Шурехдели, В.Ф.Никитин, Численное моделирование распространения волны детонации, Ломоносовские чтения, Апрель 2004, р.22.

3. N.N. Smirnov, V.F. Nikitin, Sh. Alyari-Shourekhdeli, V.M. Shevtsova and J.C. Legros, Onset of detonation in pulse detonation devices, Seventeen ONR Propulsion Meeting, 2004, p. 161-167.

4. N.N. Smirnov, V.F. Nikitin, Sh. Alyari-Shourekhdeli, J.C. Legros, Deflagration to detonation transition in gases: Scenario and models, International Conference on Combustion and Detonation (Zeldovich Memorial II), 2004, OP25.

Результаты диссертации докладывались также на семинарах кафедры газовой и волновой динамики механико-математического факультета Московского Государственного Университета.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Работа содержит 111 страниц, из них 27 страниц иллюстраций.

Заключение диссертации по теме «Механика жидкости, газа и плазмы», Алиари Шурехдели Шабан

Заключение

• Создана модель для описания динамики процесса перехода турбулентного горения в детонацию в многокомпонентных газовых смесях. Модель проверялась сравнением с независимыми экспериментами и позволяет исследовать влияние различных факторов на процесс перехода горения в детонацию.

• Исследовалось зажигание, горение и переход в детонацию водородно-воздушной смеси в трубах цилиндрического поперечного сечения с возможным наличием турбулизующих камер.

• Показано, что условия зажигания, начальная турбулентная энергия и начальная температура существенно влияют на процесс перехода горения в детонацию. При больших энергиях зажигания влияние других параметров уменьшается.

• Показано, что геометрические характеристики трубы сильно влияют на процесс перехода горения в детонацию. Наличие турбулизующих камер с широким поперечным сечением в области зажигания сокращает преддетонационную длину и преддетонационное время и уменьшает чувствительность процесса перехода горения в детонацию к начальной температуре смеси.

• Показано, что увеличение начальной температуры расширяет диапазон, в котором изменение коэффициента эквивалентности не влияет на процесс перехода горения в детонацию.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Алиари Шурехдели Шабан, 2005 год

1. Mallard Е., Le Chatelier Н., Compt. Rend. Acad. Sci., V.03, pp.145, 1881.

2. Bertelot M., Vieille P. Сотр. Rend. Sci. Paris., V.93, pp.18, 1881.

3. Михельсон В. А., О нормальной скорости воспламенения гремучих газовых смесей, Ученые записка Моск. ун-та Отд. физ.-матем., Вып. 10, с. 1-92,1893.

4. Chapman D. L., On the role of explosion in gases, Phil. Mag., 47, 90, 1899.

5. Rahkine W. J. M., On the thermodynamic theory of waves of finite longitudinal disturbance, Phil. Trans., pp.277-288, 1987.

6. Зельдович Я. Б., К вопросу об энергетическом использовании детонационного горения, ЖЭТФ, т. 10, с.542,1940.

7. Neumann J., Theory of detonation waves, Office of Scientific Research and Development Rept., № 549,1942.

8. Doring W., Burkhard G., Contribution to the theory of detonation, Tech. Rept. Wright-Patterson Air Force Base Dayton, 1949.

9. Гриб А. А., Диссертация кандидата физ.-мат. наук, Томск, 1939.

10. Campbel С., Woodhead D., Journ. Chemical Society, V.129, pp.3010,1926.

11. П.Щелкин К. И., Трошин Я. К., Газодинамика горения М.: изд-во АН1. СССР,1963.

12. Salamandra G. D., and Tsoukhanova О. A., On formation of a shock wave ahead of acceleration flame, In: Physical Gasdynamics. USSR Academy Sci. Publ., 151162,1959.

13. Salamandra G. D., On interaction of a flame with a shock wave, In: Physical Gasdynamics. USSR Academy Sci. Publ., 163-167,1959.14,Oppenheim A. K., and Soloukin R. I., Annual Review Fluid Mechanics, 5, 31, 1973.

14. Salamandra G. D., Bazhenova Т. V., and Zaitsev S. G., Some methods of exploration of quick going processes and their application to investigation of detonation formation, USSR Academy Sci. Publ., Moscow, 1960.

15. Soloukin, R. I., Methods of measurements and main results of experiments in shock tubes, Novosibirsk State University Publ., Novosibirsk, 1969.

16. Urtiew P. A., and Oppehheim A. K., Experimental observation of the transition to detonation in an explosive gas, Proc. Royal Society London, A295,13,1966.

17. Urtiew P. A., and Oppehheim A. K., Transverse flame-shock interaction in an explosive gas, Proc. Royal Society London, A304, 379,1968.

18. Shchelkin К. I., and Troshin Ya. K., Gasdynamics of Combustion. USSR Academy Sci. Publ., Moscow, 1963.

19. Smirnov N. N., and Tyurnikov M. V., Experimental investigation of deflagration to detonation transition in gaseous hydrocarbon-air mixtures, Combustion Flame, 100,661-668, 1995.

20. Thomas G. О., and Brown C. J., Experimental observation of shock-flame interaction leading to DDT, Proc. 7th Conference (International) on Numerical Combustion, York, 22, 1988.

21. Smirnov N. N., and Panfilov I. I., Deflagration to detonation transition in combustible gas mixtures, Combustion Flame, 101, 91-100,1995.

22. Smirnov N. N., and Boichenko A. P., Deflagration to detonation transition in gasoline-air mixtures, Sov. J. Physics Combustion Explosion, 22, 2, 65-68, 1986.

23. Zel'dovich Ya. В., Librovich V. В., Makhviladze G. M., and Sivashinsky G. I., On the onset of detonation in a nonuniformly preheated gas, Sov. J. Applied Mechanics Technical Physics, 2, 76,1970.

24. Kailasanath K. and Oran E. S., Ignition of flamelets behind incident shock waves and the transition to detonation, Combustion Science Technology, 34, 345-362, 1983.

25. Smirnov N. N., Nikitin V. F., Tyurnikov M. V., Control of detonation onset in combustible gases, In: G. D. Roy et al. (Eds.), High Velocity Deflagration and Detonation, Elex-KM Publ., Moscow, pp.3-30, 2001.

26. Brown C. J. and Thomas G. O., Experimental studies of shock-induced ignition and transition to detonation in ethylene and propane mixtures, Combustion Flame, 117, 861-870,1999.

27. Khokhlov A. M., Oran E. S., and Thomas G. O., Numerical simulation of deflagration to detonation transition: the role of shock-flame interactions in turbulent flames, Combustion Flame, 117, 323-339, 1999.

28. Prandtl L., uber die ausgebildete turbuletz, ZAMM, vol.5, pp.136-139, 1925.31. von Karman Т., Progress in the statistical theory of turbulence, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, vol.34, pp.530-439,1948.

29. Белов И. А., Модели турбулентности: Учебное пособие. Ленинград, ЛМИ, с. 100,1982.

30. Колмогоров А. Н., Уравнения турбулентного движения несжимаемой жидкости, Известия АН СССР , Физика, 6, №12, с.56-58, 1942.

31. Rotta J. С., Statistische theorie nichthmagener turbulentz, Zeitschrift Physic, vol.129, No.l,s.51-77,1951.

32. Launder В. E., Spalding D. В., Mathematical models of turbulence, Academic press, 1972.

33. Favre A. J., The equations of compressible turbulent gases, USAF Contract AF61 (052)-772, AD 622097, 1965.

34. Белоцерковский С. М., Гиневский А. С. Моделирование турбулентных струй и следов на основе метода дискретных вихрей, Москва, Физико-Математическая Литратура, 1995.

35. Hansell D., Kennedy I. М., Kollmann W., A simulation of particle dispersion in a turbulent jet. Int. J. Multiphase Flow, vol.18, No.4, pp.559, 1992.

36. Sguires K. D., Eaton J. k., Preferential concentration of particles by turbulence, Phys. Fluids, vol.3, No.5, pp.1169, 1991.

37. Pope S. В., Turbulent combustion modeling: fluctuations of chemistry, Advanced Computation and Analysis of Combustion, ONR-RFBR, ENAS Publishers, Moscow, pp.310-320,1997.

38. Rose M., Roth H., Frolov S. M., Neuhaus M. G., Klemens R., Lagrangian approach for modeling two-phase turbulent reactive flows, Advanced Computation and Analysis of Combustion, ONR-RFBR, ENAS Publishers, Moscow, pp. 175-194, 1997.

39. Jaberi F. A., Colucci P. J., James S., Givi P., Pope S. В., Filtered mass density function for large-eddy simulation of turbulent reactive flows,J. Fluid Mech., vol.401, pp.85-121,1999.

40. Curtis A. R., Solution of large stiff initial value problems-the state of the art, in : Numerical Software-Need and Availability, D. Jacobs (ed.), Academic Press, New York, pp.257-278,1978.

41. Gear C. W., Numerical initial value problems in ordinary differential equations, Prentic-Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1971.

42. May R., Noye J., The numerical solution of ordinary differential equations : J. Noye (ed.), North-Holland, New York, 1-94, 1984.47.0ran E. S., Boris J. P., Numerical simulation of reactive flow, Elsevier, New York, 1987.

43. Prandtl L., Wiegkart K., Uber ein neues formelsystem fur die ausgelbildete turbulentz, Nachr. Akad. Wiss. Gottingen, Math-Phys, 1945,s.6.

44. Pironneau O., and Mohammadi В., Analysis of the k~e turbulence model, Mason Editeur, Paris, 1994.

45. Hanjalic K., Launder В. E., Contribution towards a Reynolds-Stress closure for low-Reynolds number turbulence, J. Fluid Mech., vol.74, pp.593-610,1976.

46. Smirnov N. N., Nikitin V. F., Legros J. C., and Shevtsova V. M. , Motion and sedimention of particles in turbulent atmospheric flow above sources of heating, Aerosol Science and Technology, 36:101-122,2002.

47. Philip M., Experimentelle und theoritische untersuchungen zum stabilitats-verhalten drallflammen mit zentraler ruckstromzone, Dissertation Karlsruhe University, 1991.

48. Simulation and modeling of turbulent flows, Edited by: Gatski Т. В., Hussaini Yu. M., Lumley J. L., Oxford University Press, New York, 1996.

49. Roe P. L., Ann. Rev. Fluid Mech., 18,337,1986.

50. Марчук Г. И., Методы вычислительной математики, 3-е издание Москва, Наука, 1989, 312с.

51. Anderson D. A., Tannenhill J. С., Pletcher R. Н., Computational fluid mechanics and heat transfer, New York, Mc Graw-Hill, 1984.

52. Lax P. D., Weak solutions of nonlinear hyperbolic equation and their numerical computation, Comms. Pure and Appl. Math., 1954, vol.7, pp. 159-193.

53. Lax P. D., Wendroff В., System of conservation laws, Comm. Pure and Appl. Math., vol.13., pp.217-237,1960.

54. Lax P. D., Wendroff В., Difference schemes for hyperbolic equations with high order of accuracy, Comm. Pure Appl. Math., vol.17, pp.381-398, 1964.

55. Harten A., Lax P. D., and Van Leer В., SIAM Rev.25, 35, 1983.

56. Grossman В., Cinnella P., Flux-Split algorithms for flow with non-equilibrium chemistry and vibrational relaxation, Jour, of Сотр. Phys., 88, 131-168,1990.

57. Godunov S. K., Mat. Sb., vol.47, pp.271-306,1959.

58. Schultz E., Wintenberger E. And Shepherd J., Investigation of deflagration to detonation transition for application to pulse detonation engine ignition systems,16th JANNAF Propulsion Meeting, 1999.

59. Карпов В. П., Политенкова Г. Г. и Севрин Е. С., Турбулентное горение спиртов, Физика Горения и Взрыва, 22,12-14, 1986.

60. Card J., Rival D., Ciccarelli G., Murray S. and Zhang F., DDT in fuel-air mixtures at elevated temperatures and pressures, 18th International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive System, Seattle USA, 2001.