Двумерная модель горения смеси метана с воздухом в канале щелевой горелки

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Предложена двумерная модель горения перемешанной смеси метана с воздухом внутри плоскопараллельного канала щелевой горелки, состоящей из набора параллельных металлических пластин, изготовленных из жаростойкого материала. Задача описывается системой уравнений, представляющих законы сохранения энергии в газе и твердой фазе, массы и элементного состава газовой фазы с учетом протекания сложной химической реакции, теплообмена между газом и поверхностью пластин, теплового излучения нагретых пластин, теплопроводности в пластинах, молекулярного и конвективного тепло- и массопереноса в газе. Расчеты с использованием предложенной модели дают вполне адекватное представление о процессе горения в канале щелевой горелки. Получено количественное согласие с экспериментом по максимальному значению удельной мощности горения, которое может превышать 500 Вт/см2. При увеличении скорости газового потока (удельной мощности горения) зона химической реакции перемещается вдоль оси канала в сторону выхода, при этом фронт пламени с вершиной на оси симметрии канала сильнее вытягивается вдоль пластины. В стехиометрической смеси фронт пламени сдвигается ближе к входу в канал, а концентрация монооксида углерода в продуктах горения на выходе из канала значительно выше, чем в бедной смеси. При увеличении скорости газовой смеси на входе в канал концентрация CO на выходе из канала растет, хотя и остается небольшой. Полученные результаты качественно соответствуют экспериментальным результатам исследования горения метавоздушной смеси в канале щелевой горелки.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. А. Беляев

Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семёнова Российской академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: belyaevIHF@yandex.ru
Россия, Москва

А. В. Арутюнов

Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семёнова Российской академии наук; Shenzhen MSU-BIT University

Email: belyaevIHF@yandex.ru
Россия, Москва; Shenzhen, China

Н. Я. Василик

Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семёнова Российской академии наук

Email: belyaevIHF@yandex.ru
Россия, Москва

А. А. Захаров

Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семёнова Российской академии наук

Email: belyaevIHF@yandex.ru
Россия, Москва

В. С. Арутюнов

Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семёнова Российской академии наук; Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии Российской академии наук; Российский государственный университет нефти и газа (НИУ) им. И.М. Губкина

Email: belyaevIHF@yandex.ru
Россия, Москва; Черноголовка; Москва

Список литературы

  1. Shmelev V.M. // Combust. Sci. Technol. 2014. V. 186. № 7. P. 943. https://doi.org/10.1080/00102202.2014.890601
  2. Брюханов О.Н., Крейнин Е.В., Мастрюков Б.С. Радиационный газовый нагрев. Л.: Недра, 1989.
  3. Mujeebu M.A., Abdullah M.Z., Mohamad A.A. // Energy. 2011. V. 36. № 8. P. 5132. https://doi.org/10.1016/j.energy.2011.06.014
  4. Василик Н.Я., Шмелев В.М. // Горение и взрыв. 2019. Т. 12. № 1. С. 37. https://doi.org/10.30826/CE19120105
  5. Vasilik N., Shmelev V. // Proc. Eighth Intern. Conf. on Advances in Civil, Structural and Environmental Engineering (ACSEE 2019). P. 16. https://doi.org/10.15224/978-1-63248-166-5-03
  6. Hackert C.L., Ellzey J.L., Ezekoye O.A. // Combust. and Flame. 1999. V. 116. № 1–2. P. 177.
  7. Палесский Ф.С., Минаев С.С., Фурсенко Р.В. и др. // Физика горения и взрыва. 2012. Т. 48. № 1. С. 21.
  8. Шмелев В.М. // Хим. физика. 2020. Т. 39. № 8. С. 75. https://doi.org/10.31857/S0207401X20080099
  9. Беляев А.А., Шмелев В.М., Василик Н.Я., Захаров А.А., Арутюнов В.С. // Горение и взрыв. 2020. Т. 13. № 2. С. 10. https://doi.org/10.30826/CE20130202
  10. Вильямс Ф.А. Теория горения / Пер. с англ. М.: Наука, 1971.
  11. Burcat A. Ideal gas thermodynamic data in polinomial form for combustion and air pollution use. Laboratory for Chemical Kinetics, ELTE Eötvös Lorand University, Budapest (Hungary). http://garfield.chem.elte.hu/Burcat/burcat.html
  12. Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. 3-е изд., испр. и доп. М.: Наука, 1987.
  13. Рид Р., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей / Пер. с англ. Л.: Химия, 1982.
  14. Басевич В.Я., Беляев А.А., Посвянский В.С. и др. // Хим. физика. 2013. Т. 32. № 4. С. 87. https://doi.org/10.7868/S0207401X13040031
  15. Михалкин В.Н., Сумской С.И., Тереза А.М. и др. // Хим. физика. 2022. Т. 41. № 8. С. 3. https://doi.org/10.31857/S0207401X2208009X
  16. Паланкоева А.С., Беляев А.А., Арутюнов В.С. // Хим. физика. 2022. Т. 41. № 6. С. 7. https://doi.org/10.31857/S0207401X22060097
  17. Арсентьев С.Д., Тавадян Л.А., Брюков М.Г., Паланкоева А.С., Беляев А.А., Арутюнов В.С. // Хим. физика. 2022. Т. 41. № 11. С. 3. https://doi.org/10.31857/S0207401X22110024
  18. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя / Пер. с нем. М.: Наука, 1974.
  19. Василик Н.Я., Шмелев В.М. // Горение и взрыв. 2020. Т. 13. № 2. С. 19. https://doi.org/10.30826/CE20130203
  20. Vasilik N. // Proc. 2nd Intern. E-Conference on Advances in Engineering, Technology and Management (ICETM 2020). P. 29. https://doi.org/10.15224/978-1-63248-189-4-07
  21. Василик Н.Я., Захаров А.А. // Горение и взрыв. 2020. Т. 13. № 4. С. 29. https://doi.org/10.30826/CE21130404
  22. Василик Н.Я., Финяков С.В. // Там же. 2021. Т.14. № 3. С. 27. https://doi.org/10.30826/CE21140304
  23. Зельдович Я.Б., Баренблатт Г.И., Либрович В.Б. и др. Математическая теория горения и взрыва. М.: Наука, 1980.
  24. Беляев А.А., Ермолаев Б.С. // Хим. физика. 2023. Т. 42. № 8. С. 3. https://doi.org/10.31857/S0207401X23080034

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Условная схема расчетной области

Скачать (75KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Кривые распределения температуры поверхности пластины вдоль оси x (1), распределения температуры газа параллельно оси канала при различных расстояниях  (в см) от поверхности пластины: 2 – 0.085, 3 – 0.17, 4 – 0.28 (вдоль оси симметрии), и потока тепловых потерь за счет излучения с поверхности пластины (в логарифмическом масштабе) (5); u0 = 150 см/с.

Скачать (103KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Поперечное распределение температуры газа на различных расстояниях x (в см) от входа в канал: 1 – 7.5, 2 – 9.41, 3 – 12.0 при u0 = 150 см/с.

Скачать (79KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Распределение температуры газового потока вдоль оси симметрии канала ( = b) при различных значениях u0 (в см/с): 20 (1), 50 (2), 150 (3), 250 (4), 350 (5).

Скачать (100KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Зависимость расстояния от входа в канал до фронта пламени от поперечной координаты при различных значениях u0 (в см/с): 20 (1), 50 (2), 150 (3), 250 (4), 350 (5).

Скачать (79KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Распределение концентраций реагентов и продуктов (мольные доли) и температуры по длине канала вдоль оси симметрии в зоне химической реакции: CH4 (1), O2 (2), CO (3), температура (4) при ϕ = 0.67 (сплошная линия) и ϕ = 1 (штрих-пунктирная); u0 = 50 см/с.

Скачать (103KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025