Моделирование нестационарных волн горения предварительно перемешанных газовых смесей в малоразмерных системах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.05, кандидат физико-математических наук Серещенко, Евгений Викторович

• Серещенко, Евгений Викторович
• кандидат физико-математических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Серещенко, Евгений Викторович

Основные обозначения

Введение

ГЛАВА I. Горение предварительно перемешанных смесей газов

1.1 Основные предположения теории ламинарного пламени

1.2 Особенности горения в микроканалах

ГЛАВА II. Теоретическое и экспериментальное исследование горения газа в системе с противоточным теплообменом

2.1. Описание установки

2.2. Математическая модель

2.3. Результаты эксперимента

2.4 Простая модель, допускающая аналитическое исследование

2.5 Результаты численного моделирования

ГЛАВА III. Одномерные волны горения газов в микроканалах с контролируемой температурой стенок канала

3.1. Математическая модель

3.2. Образование двух фронтов химической реакции в процессе периодического воспламенения и погасания

3.3.Рузультаты экспериментов

3.4. Анализ результатов

ГЛАВА IV. Пространственные структуры волн горения в каналах с продольным градиентом температуры в стенках

4.1. Турбинообразные вращающиеся пламена и другие структуры в радиальном канале, связанные с явлением периодического воспламенения/затухания пламени

4.2. Неустойчивость пламени в канале с градиентом температуры при высоких скоростях подачи газа

4.3. Результаты моделирования

4.4. Распараллеливание 3D задач горения с использованием GPU с использованием GPU

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование нестационарных волн горения предварительно перемешанных газовых смесей в малоразмерных системах»

Интерес исследователей к изучению горения предварительно перемешанных смесей газов в малоразмерных каналах обусловлен появившейся в последнее время тенденцией к миниатюризации горелочных устройств до таких размеров, когда абсолютные размеры самих устройств и их элементов начинают влиять на процессы стабилизации и структуру волны горения. Исследования волн горения в малоразмерных системах способствуют созданию автономных энергопреобразующих устройств малой мощности, в которых непосредственно используется тепло от сгорания углеводородного топлива для создания рабочих температур или применяются прямые, например, термоэлектрические или термо-фото-электрические, методы преобразования тепла в электрическую энергию [1-3]. Учитывая то, что запас энергии в углеводородных топливах на единицу массы превышает плотность энергии в существующих литиевых аккумуляторах (рис.1), то устройство, преобразующие тепло от сгорания углеводородного топлива в электричество с эффективностью в несколько процентов имело бы преимущество по сравнению с батареями и аккумуляторами [1,2]. Знания, полученные при исследовании процессов горения в малоразмерных системах, позволяют реалистично оценить эффективность энергопреобразующих устройств с микроканальными элементами и выбрать оптимальные схемы энергопреобразования.

В данной работе для описания горения в малоразмерных системах будут использоваться термины: микросистема, микрогорение, микроканал. Приставка микро в данном случае не означает что размер системы меньше 10"6м, а говорит о том, что характерный размер системы близок к критическому размеру, при котором горение при нормальных условиях в данной системе не возможно. Обычно этот размер составляет несколько миллиметров. Использование данных терминов - это сложившаяся практика в теории горения. горения свежая смесь зона реакции

Рисунок 2.

Схема спиральной горелки Swiss Roll и фотография реального образца горелки размером с одну йену[12]. бедные смеси, которые содержат в 5 раз меньшее количество метана по сравнению с предельной смесью метана с воздухом для свободно распространяющегося пламени [10]. В работах [15, 16] была предложена простая квазиодномерная модель, описывающая распространение пламени в одиночном канале с теплопроводящими стенками. Модель, предложенная в работе [16] допускает возможность распространения пламени в канале, поперечный размер которого меньше критического значения, определяемого из классической теории [4], в которой не учитывался нагрев стенок канала.

К процессам с регенерацией тепла можно отнести и процессы фильтрационного горения газов, где пламя может стабилизироваться в микроканалах между твердой фазой, даже если размеры микроканалов существенно меньше критического диаметра, определенного по начальной температуре. Горение в этом случае возможно при условии, что газовая фаза окружена стенками с температурой превышающей температуру окружающей среды. Теория и экспериментальное исследование процессов горения в таких системах получили развитие в работах [17-21]. Эти работы можно рассматривать как продолжение классических работ [4] о распространении пламени с учетом передачи тепла от продуктов горения в свежую смесь по инертной пористой среде за счет ее высокой теплопроводности. В работах [17,18] была создана одномерная двухтемпературная модель фильтрационного горения газов в инертной пористой среде.

Горение газа в канале с противоточным теплообменом является простейшим примером системы с конвективным способом регенерации тепла. Характерной особенностью горения в такой системе является тепловое взаимодействие между продуктами горения и свежей смесью через теплопроводящую стенку. В данной линейной конфигурации, в отличие от устройств со специальными камерами сгорания, пламя стабилизируется внутри входной трубки. Этот способ стабилизации пламени был ранее предсказан в теоретических работах [22-24], и он основан на "самосогласованности" волны горения, которая создает распределение температуры в стенках канала и тем самым изменяет свои характеристики (положение фронта пламени и другие). Этот механизм стабилизации пламени типичен для малоразмерных систем с рециркуляцией тепла. Исследования динамического поведения пламени в системе с противоточным теплообменом позволяет изучить особенности горения в системах с регенерацией тепла, а также охватывает целый ряд новых явлений.

Недавно выполненные эксперименты по горению газа в микроканалах с продольным градиентом температуры в стенках обнаружили интересные периодические процессы [25,26]. В этих экспериментах поперечный размер канала был меньше критического диаметра, определенного для окружающей температуры. Один из таких процессов наблюдался в нагретом микроканале и был назван FREI (flame repetitive extinction ignition) или пламя с периодическим воспламенением и затуханием. В связи с этим возник интерес в создании математической модели, которая описывала бы наблюдаемые явления. Исследования горения газа в прямой трубке с градиентом температуры [26] было расширено на случай радиальной геометрии [27]. Наблюдения показали, что в этой системе существует большое разнообразие различных пространственных структур пламени, таких как, устойчивое и неустойчивое цилиндрическое пламя, структуры, напоминающие турбину Пелтона с одной, двумя или множеством лопаток, вращающееся спиральное пламя и другие структуры [28].

Основные механизмы горения газов в системах с рециркуляцией тепла могут быть выяснены из исследования горения газов в узком канале с контролируемой температурой стенок. Поэтому, исследования горения газа в микроканалах с контролируемой температурой стенок необходимы для понимания процессов как в микросистемах с регенерацией тепла, где подогрев горючей смеси газов происходит за счет тепла отходящих продуктов горения, так и для развития новых технологий, в которых используется горение газов в пористых средах.

Малые размеры канала, в котором происходит горение, позволяет создавать почти однородное распределение температуры в поперечном сечении. Эксперименты показывают, что градиент температуры в стенках канала, который создавался внешним источником тепла, остается практически постоянным как при горении газа внутри канала, так и без горения. Эти наблюдения делают перспективным использование микроканала с градиентом температуры для изучения структуры пламени и проверки существующих моделей с детальной кинетикой химических реакций.

При исследовании горения обычно рассматриваются течения газов, в которых важную роль играют явления переноса и химические реакции. Для того, что бы проанализировать процесс горения, помимо химических превращений вещества необходимо учитывать явления, вызванные выделением тепла. Если учесть еще взаимосвязанность перечисленных процессов, то сложность теоретического анализа горения становится очевидной.

Успехи в области теории горения газов были связаны, прежде всего, с использованием простых и в то же время реалистичных математических моделей.

В диссертационной работе изложены исследования автора, посвященные математическому моделированию и описанию как стационарных, так и нестационарных режимов горения, их устойчивости и пределов существования пламени при горении в микросистемах. Проведено сравнение полученных теоретических результатов с имеющимися в литературе экспериментальными данными и результатами численного моделирования.

Целью данной работы являлось разработка математических моделей горения газовых смесей в микросистемах; создание и реализация на РС разностной схемы для моделирования нестационарных режимов горения, исследование их устойчивости и пределов существования; объяснение периодических процессов и пространственных структур, наблюдаемых в экспериментах по горению газа в микроканалах с контролируемой температурой стенок. Достижение цели осуществлялось путем решения следующих задач: анализ и сравнительная оценка влияния различных процессов и явлений на структуру, пределы существования и устойчивость пламени в микросистемах; формулировка математической модели для описания процессов горения в исследуемой системе; изучение и классификация стационарных режимов горения и определение пределов существования пламени; исследование устойчивости фронта пламени, выявление определяющих параметров задачи и определение областей устойчивости, неустойчивости и пульсаций пламени; исследование развития нелинейной стадии развития неустойчивости пламени; анализ полученных результатов и сравнение их с экспериментальными данными.

В работе экспериментально и теоретически получена диаграмма устойчивости, при горении предварительно перемешанной смеси газа в малоразмерной системе с противоточным теплообменом.

Показана возможность одновременного образования двух фронтов химической реакции при нестационарном горении газа в микроканале с градиентом температуры в стенках. Рассмотрены случаи, когда горение происходило в прямой трубке и в зазоре между двумя дисками с радиальной подачей топлива. В обоих случаях характерный поперечный размер канала был меньше критического диаметра, определенного для температуры окружающей среды, и горение газа происходило в области, где температура стенок была выше температуры окружающей среды. Численное исследование процессов периодического воспламенения и затухания пламени (РЯЕ1) продемонстрировало возможность одновременного образования двух фронтов химической реакции в горячей области канала. Один фронт соответствовал нормальному пламени, распространяющемуся вверх по потоку от горячей к холодной части канала, а другой фронт двигался по потоку и затухал по мере выгорания топлива. После некоторой задержки процесс повторялся, и происходило новое самовоспламенение от горячих стенок. Показано, что общепринятая модель с бесконечно узкой зоной химической реакции, не учитывающая явную зависимость скорости реакции от концентрации, не описывает данное явление. На основе данного исследования предложен новый механизм воспламенения и неполного сгорания горючей смеси в микросистемах.

Дано объяснение механизма формирования вращающихся структур пламени в виде лопаток турбины, спирального пламени при горении газа в радиальном канале и выполнено математическое моделирование этого и других режимов горения. Результаты моделирования позволили объяснить недогорание смеси, наблюдавшееся в экспериментах.

Результаты исследования разделяющихся пламен позволяют расширить рамки теории диффузионно-тепловой неустойчивости пламени и способствуют развитию фундаментальной теории горения.

Результаты работы показали перспективность использование микроканала с градиентом температуры для изучения структуры пламени и проверки существующих моделей с детальной кинетикой химических реакций.

Достоверность полученных результатов обеспечивается корректностью применяемых математических моделей, строгой постановкой задач и соответствием полученных результатов с имеющимися в литературе данными теории и результатами численного моделирования.

На защиту выносятся:

- результаты моделирования процессов горения в горелке с противоточным теплообменом и сопоставление их с экспериментом;

- результаты моделирования нестационарных режимов горения газа в микро каналах с контролируемым распределением температуры в стенках. Рассмотрены случаи, когда горение происходило в прямой трубке и в зазоре между двумя дисками с радиальной подачей топлива;

- результаты моделирования вращающихся автоволн горения в зазоре между двумя дисками с радиальной подачей топлива.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.

Заключение диссертации по теме «Механика жидкости, газа и плазмы», Серещенко, Евгений Викторович

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

1. В результате теоретических и экспериментальных исследований процессов горения в системе с конвективной рециркуляцией тепла было показано, что в данной системе а) возможно устойчивое горение в трубке с диаметром меньше критического б) возможно горение со скоростями большими, чем нормальная скорость свободного пламени и температура газа может превышать адиабатическую температуру свободного пламени. в) пламя устойчиво к внешним воздействиям, вызванным изменением окружающей температуры, изменениями скорости потока газа и другими факторами.

Показана возможность стабилизации пламени в прямом канале с градиентом температуры в стенках, который создается продуктами сгорания. Эти результаты позволяют сделать вывод, о том, что данная система перспективна для создания микрогорелок.

2. В работе показана возможность одновременного образования двух фронтов химической реакции при нестационарном горении газа в прямой трубке и в зазоре между двумя дисками с радиальной подачей топлива. Обнаружено, что процесс периодического воспламенения и затухания пламени происходит в диапазоне скоростей подачи топлива от V = 1.5 до V — ЪЩ, соответствующем средней ветки 8-образной кривой. На основе данного исследования предложен новый механизм воспламенения и неполного сгорания горючей смеси в микросистемах.

3. Показано, что процесс периодического воспламенения/затухания пламени в радиальном канале в двумерном случае связан с образованием бегущих волн и вращающихся структур в форме лопаток турбины.

4. Обнаружен новый тип неустойчивости при горении газа в микроканалах с продольным по потоку градиентом температуры в стенках канала. Особенностью данного типа неустойчивости пламени является наличие неоднородного профиля скорости газа в канале и теплообмен с горячими стенками. Найдена область значений скорости потока газа, при которых проявляется данный тип неустойчивости. Показано, что в радиальном канале данный тип неустойчивости приводит к образованию вращающихся структур пламени, в частности, спирального пламени, обнаруженного в экспериментах.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Серещенко, Евгений Викторович, 2011 год

1. Fennandez-Pello А. С., Micropower generation using combustion: issues and approaches// Proceedings of the Combustion 1.stitute. 29th Symposium on Combustion. 2002. V.29. P. 883-899.

2. Dunn-Rankin D., Leal E.M., Walther D.C., Personal power systems/ZProgress in Energy and Combustion Science. 2005. Y.31. P 422-465.

3. Yang W.M., Choul S.K., Shu C., Xue H. and Li Z.W., Development of a prototype of micro-thermophotovoltaic power generator// Journal of Physics D: Applied Physics. 2004. V.37. P. 1017-1020.

4. Зельдович Я.Б., Теория распространения тихого пламени// ЖЭТФ. 1941. Т.11.В.1. С.159-168.

5. Spalding D.B., A theory of inflammability limits and flame-quenching// Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences. 1957. V. 240. № 1220. P.83-100.

6. Takeno Т., Sato K., An excess enthalpy flame theory// Combustion Science and Technology. 1979. V.20. P. 73-84.

7. Lloyd, S. A. and Weinberg, F. J. A burner for mixtures of very low heat content//Nature. 1974. V. 251. P. 47-49.

8. Jones A.R., Lloyd S.A., Weinberg F.J., Combustion in heat exchangers// Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences. 1978. V.360. P.97 115.

9. Takeno Т., Haae K., Effects of Solid Length and Heat Loss on Excess Enthalpy Flame// Combustion Science and Technology. 1983. V 31. P.207 -215.

10. Fursenko R.V., Minaev S.S. Flame stability in a system with counterflow heat exchange // Combust. Explos. Shock Waves. 2005. Vol. 41. P. 133-139.

11. Fateev G.A., Rabinovich O.S., Silenkov O.S., Oscillatory combustion of a gas mixture blow through a porous medium or a narrow tube// Proc. Combust. Inst. 27th Symp. (Int.) on Combustion. -1998.- V.27.- P. 3147-3153.

12. Maruta K., Pare J.K., Oh K.C., Fujimori Т., Minaev S.S., Fursenko R.V. Characteristics of microscale combustion in heated channel //Combust. Explos. Shock Waves 2004. V.40 P. 516-523.

13. Kumar S., Maruta K., Minaev S. Pattern formation of flames in radial microchannels with lean methane-air mixtures// Proceedings of the Combustion Institute. 31th Symposium (Int.) on Combustion. 2007. V.31. P. 3161-3268.

14. Fan A.W., Minaev S., Kumar S., Liu W., Maruta K. Regime diagrams and characteristics of flame patterns in radial microchannels with temperature gradients // Combust. Flame 2008. V.153 P.479-489.

15. Гардинер У., Диксон-Льюис Г., Целнер Р и др. Химия горения// под ред. У.Гардинера. М.: Мир, 1988.

16. Ландау Л.Д., Лифшиц E.M. Теоретическая физика: T .6 // Гидродинамика. М.: Наука, 1988. 733 с.

17. Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике// 2-е изд. М.: Наука, 1967.

18. Румер Ю.Б. , Рыбкин М.Ш. Термодинамика, статистическая физика и кинетика. //М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1977.

19. Clavin P., Garsia P. The influence of the temperature dependence of diffusivities on the dynamics of flame front// J.Mech.Therm.Appl. 1983. N2. P.245.

20. Берман B.C., Рязанцев Ю.С. К анализу задачи о тепловом распространении пламен методом сращиваемых асимптотических разложений//ПММ. 1972. т.36. вып.4. С.659-666.

21. Clavin P. Dynamic behavior of premixed flame fronts in laminar and turbulent flows//J. Prog.Energy Combust.Sci. 1985. v. 11. P.l-59.

22. Зельдович Я.Б., Франк-Каменецкий Д.А. Теория теплового распространения пламени//ЖФХ. 1938. т.12. вып.1. С.100-105.

23. Зельдович Я.Б., Франк-Каменецкий Д.А. К теории равномерного распространения пламени// Докл. АН СССР. 1938. т. 19. С.693-695.

24. Зельдович Я.Б. Теория горения и детонации газов. М.; Л.; Изд-во АН СССР, 1944.

25. Зельдович Я.Б., Воеводский В.В. Тепловой взрыв и распространение пламени в газах. М.: ММИ. - 1947. - 294 с.

26. Bush W.B., Fendell F.E. Asymptotic analysis of laminar flame propagationfor general Lewis numbers// Combust. Sci. Techn. 1970. v. 1. P.421-428.

27. Clarke J.F. The diffusion flame as a singular perturbation problem// J. Eng. Math. 1971. v. 5. N 3. P.179-185.

28. Fendell F.E. Asymptotic analysis of premixed burning with large activation energy// J. Fluid Mech. 1972. v. 56. pt 1. P.81-96.

29. Берман B.C., Рязанцев Ю.С. Асимптотический анализ стационарного распространения фронта двухстадийной экзотермической реакции в газе// ПММ. 1973. т. 37. вып. 6. С.1049-1058.

30. Буркина Р.С., Вилюнов В.Н. Асимптотика задач теории горения. Томск: Издательство ТГУ, 1982. - 100 с.

31. Буркина Р.С. Асимптотический анализ стационарного фильтрационного горения газа в полуграничной пористой среде.// В кн.: Математическиемодели и методы их исследования. Международная конференция, 25-30 августа 1997г. Красноярск, Россия.

32. Ludford G.S. Combustion for large activation energy// Lett. Appl. and Eng. Sci. 1976. v.4.N l.P.49-62.

33. Зельдович Я.Б. К теории распространения пламени// ЖФХ. 1948. т.22.— вып. 1. С.27-48.

34. Matkowsky B.J., Sivashinsky G.I. An asymptotic derivation of tow models in flame theory associated with the constant density approximation.// SIAM J.on Appl. Match. 1979. v. 37. N 3. P.689-699.

35. Владимиров B.C. Уравнения математической физики. изд. 3-е. - М.: Наука. Гл. ред. физ-мат. лит., 1976.

36. Вишик М.И., Люстерник Л.А. Регулярное вырождение и пограничный слой для линейных дифференциальных уравнений с малым параметром// УМН. 1957. т. 12. вып. 5. С.3-122.

37. Вишик М.И., Люстерник Л.А. Решение некоторых задач о возмущении в случае матриц и самосопряженных и несамосопряженных дифференциальных уравнений//УМН. 1960. т. 15. вып. 3. С.3-80.

38. Zamashchikov V.V., Experimental investigation of gas combustion regimes in narrow tubes//Combust. Flame, 1997, V.108, №3, pp.357-359.57.3ейдель P.M., Зельдович Я.Б. О возможных режимах стационарного горения// ПМТФ. 1962. N 4. С.27-32.

39. Minaev S., Maruta К., Fursenko R. Nonlinear dynamics of flame in a narrow channel with a temperature gradient// Combust. Theory Model. 2007. V.ll. P. 187-203.

40. Jackson T.L., Buckmaster J., Lu Z., Kyritsis D.C., Massa L. Flames in narrow circular tubes//Proceedings of the Combustion Institute. 31th Symposium (Int.) on Combustion. 2007. V.31. P. 955-962.

41. Maruta К., T. Kataoka Т., Nam II Kim, Minaev S. and Fursenko R, Characteristics of combustion in a narrow channel with a temperature gradient, Proc. Combust. Inst, 30, 2005, 2429-2436.

42. Westbrook C.K., Dryer F.L. Simplified Reaction Mechanisms for the Oxidation of Hydrocarbon Fuels in Flames//Combust. Sci. Tech. 1981. V.27 P. 31-43.

43. S.Minaev, R.Fursenko, N.Bakirova, S. Kumar and K.Maruta , Modeling of traveling structures in radial microchannels with a wall temperature gradient//Proceedings of 6th Asia-Pacific Conference on Combustion, p.546-549, 2007.

44. Buckmaster J. The structure and stability of laminar flame// Annual Rev. Fluid Mech. 1993. V.25 P. 21-53.

45. Sun C.J., Law C.K., On the consumption of fuel pockets via inwardly, propagating flames// Proc. Combust. Inst. 27 (1998) 963-970.

46. Kurdyumov V., Pizza G., Christos E., Mantzaras J. Dynamics of premixed flames in a narrow channel with a step-wise wall temperature// Combustion and Flame 2009. V.156. P.2190-2200.

47. Вводный обучающий курс no CUDA от компании NVIDIA: http://www.nvidia.ru/object/cudastateuniversitycoursesru.html

48. CUDA by Example: An Introduction to General-Purpose GPU Programming. NVIDIA Corporation, 2010, 280 pg.

49. Боресков A.B., Харламов A.B. Основы работы с технологией CUDA. Изд-во: ДМК Пресс, 2010, 232 стр.

50. Flynn, М. Some Computer Organizations and Their Effectiveness. — IEEE Trans. Comput., 1972. — V.21. —N 9. — P. 948-960.

51. Tom Halfhill. Parllel Processing With CUDA. Microprocessor Report. Jan 28, 2008

52. GPU Gems 1,2,3 edited Hubert Nquyen from NVIDIA.

53. Курс лекций no CUDA (МГУ): http://groups.google.ru/group/cudacsmsusu?hl=ru&pli=l

54. Zhmurov A., Dima R.I., Kholodov Y., Barsegov V. SOP-GPU: Accelerating biomolecular simulations in the centisecond timescale using graphics processors // Proteins: Struct., Funct. & Bioinform. (in press).