WWW.KNIGI.KONFLIB.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 
<< HOME
Научная библиотека
CONTACTS

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 8 |

«Крюков1 В.Г., Наумов2.В.И., Абдуллин3 А.Л., Демин4 А.В., Исхакова1 Р.Л. Казанский Государственный Технический Университет – КГТУ ул. К. Маркса, дом 10, г. Казань, ...»

-- [ Страница 1 ] --

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕАГИРУЮЩИХ ТЕЧЕНИЙ

НА БАЗЕ РЕАКТОРНОГО ПОДХОДА

Крюков1 В.Г., Наумов2.В.И., Абдуллин3 А.Л., Демин4 А.В., Исхакова1 Р.Л.

Казанский Государственный Технический Университет – КГТУ

ул. К. Маркса, дом 10, г. Казань, 420111

1

- кафедра Автомобильных Двигателей и Сервиса, vkrujkov@kai.ru

2

- кафедра Автомобильных Двигателей и Сервиса, nvi2000@mail.ru 3 - кафедра Автомобильных Двигателей и Сервиса, ala2000@mail.ru 4 - кафедра Промышленной экологии, alexdemv@mi.ru Аннотация. Работа посвящена моделированию процессов горения в рабочих объемах узлов двигателей и тепловых установок. Используется реакторный подход, когда на основе уравнений движений или полуэмпирических моделей течений формируются размеры реакторов, на которые делятся рабочие объемы, а также тепло-массообменные характеристики между ними. Каждый реактор рассматривается как гомогенная зона с переменными параметрами (состав, температура, объем, давление), в которой протекают химические реакции. Изменение состава описывается уравнениями химической кинетики в экспоненциальной форме, а массообменные процессы (конвективные потоки, испарение, диффузия, конденсация и т.д.) отражаются в реакциях массообмена. Реакторный подход реализован в инвариантном программном комплексе NERCHIM с преобразованием символьных химических реакций в уравнения кинетики, и с их последующим интегрированием по методу Пирумова. Подробно изложены некоторые модели (реагирующие газожидкостные течения, процессы в соплах, горение распыленного угля), созданные на базе реакторного подхода, включая сравнение с экспериментальными данными и численные исследования.

Ключевые слова: математическое моделирование, горение, реактор, химическая кинетика, массообмен, инвариантная программа.

Abstract. The methodology of simulation of combustion and flow in engine and power generation systems is developed. Use is made of a reactor approach when the working volume is divided in reactors on the ground of equations of motion or semi-empirical models for fluid flow. Each reactor is interpreted as a zone with uniform nonstationary parameters (chemical composition, pressure, temperature, volume, etc.) in which chemical reactions proceed. Neighbor reactors could have energy- and mass-exchange. Change of chemical composition of working medium in each reactor is described by equations of chemical kinetics derived in exponential form. Mass-exchange processes between neighbor reactors such as mass input from neighbor reactors, evaporation, diffusion, condensation are simulated by “reactions of mass-exchange”. Condensed compounds of combustion products are represented by “large molecules”. Reactor approach is realized in invariant computer codes (NERCHIM) with conversion of symbolic chemical reactions into the equations of chemical kinetics, with integration using implicit scheme of Pirumov. The comparison with numerical data of other authors is demonstrated. A detailed description of the following models, developed on the basis of reactor approach is presented: model of reacting gas-liquid flow; model of reacting flow in nozzle and model of pulverized coal combustion. The comparison of experimental and numerical results is shown.

Обозначения А – площадь сечения канала (сопла) A j, n j, E j - параметры константы скорости j-ой реакции AI, AS, a1,..., a 7 - коэффициенты аппроксимации энтальпии и энтропии aki – число атомов k-го типа в i-ом веществе as – температура в центре капли biт – число атомов i–го типа в условной формуле топлива bs – разность Ts - as C i - мольная концентрация i-ого вещества rf C pi - “опорное” значение молярной теплоемкости i- го вещества Cxs – коэффициент трения сs – теплоемкость s-ой фракции частицы cp – массовая теплоемкость газовой фазы с vm - средняя теплоемкость в приведенной пленке p c - теплоемкость угля Dv – коэффициент диффузии d p - средний диаметр частиц конденсата dp - диаметр частицы Fs - число капель s-ой группы, проходящих через канал в единицу времени Gg – расход газа на единицу площади канала Gm - расход газовой фазы Gp – расход угля G s - относительный расход s-ой группы капель (п.2); относительный расход s-ой фракции угля (п.4) G - расход газожидкостной смеси (п.2), расход газоугольного потока (п.4) gi – массовая доля i-ого вещества g Ri - массовая доля i-го вещества примеси gVi - массовая доля i-го летучего вещества H i - молярная энтальпия i-ого вещества H irf - “опорное” значение молярной энтальпии i-ого вещества h –массовая энтальпия hn – шаг интегрирования hs – средняя энтальпия частиц s-ой группы (п.2); энтальпия s-oй фракции угля (п.4) hm - энтальпия газа hm, hs* - энтальпии торможения газа и жидкости * hR – удельная энтальпия жидкости на поверхности капли hт – энтальпия топлива h - начальная энтальпия для всего течения Iид - значение идеального удельного импульса Iуд - значение реального удельного импульса Jh – максимально допустимое количество приближений на шаге интегрирования Jn - количество итераций на n-ом шаге интегрирования Jp - допустимое количество приближений без пересчета матрицы частных производных K j - константа равновесия j-ой реакции k j - константа скорости j-ой реакции kp – число групп капель (п.2), число групп частиц (п.3) Lv – скрытая теплота испарения LV - теплота образования летучих веществ mb - число обратимых химических реакций m - массовый расход ms – масса s-ой группы капель nb - общее число реагирующих веществ nf – средний коэффициент адиабатного расширения P – давление PO2 - парциальное давление кислорода Pv – давление насыщенных паров R – радиус частицы R0 – универсальная газовая постоянная Rs – радиус s-ой группы капель r - текущий радиус-координата.

rb - число реакций массообмена ri - мольная доля i-ого вещества rM – радиус минимального сечения сопла S0 – мольная энтропия при 1-ой атмосфере T, Tm, Tg – температура реагирующей среды Tc – средняя температура конденсированных частиц Tp – температура частицы Trf - “опорное” значение температуры Tw - фактор теплообмена V - объем Vm, Vg– скорость газа Vs –скорость s-ой группы капель Vx - осевая скорость газовой фазы Vy - радиальная скорость газовой фазы Wc – средняя скорость конденсированных частиц Wx - осевая скорость конденсата W y - радиальная скорость конденсата xk, Yk – координаты профиля сопла x – линейная координата z – массовая доля конденсированной фазы ox - коэффициент избытка окислителя - изменение удельного объема вещества при испарении x – максимально допустимое изменение неизвестной на шаге интегрирования H уг - высшая теплотворная способность угля H CO, H CO2 - абсолютные величины теплот образования веществ CO и CO v* - толщина приведенной пленки rk - ошибка расчета по атому k-того типа rm - средняя ошибка расчета по атомам - степень черноты стенок канала N - максимально допустимая ошибка для завершения итераций на шаге интегрирования дв – потери удельного импульса из-за отставания конденсированной фазы кс –потери удельного импульса из-за выпадения конденсата на стенку нп – потери удельного импульса из-за непараллельности нр - потери удельного импульса из-за химической неравновесности тр - потери удельного импульса из-за трения vm - средняя теплопроводность в приведенной пленке µC – молекулярная масса углерода µi – молекулярная масса i-ого вещества µm,, µ g – средняя молекулярная масса газовой фазы µ – молекулярная масса пара – плотность m – плотность газовой фазы s – плотность капель s-ой группы (п.2); плотность s-ой фракции частицы (п.4), / k - потенциальные параметры Леннарда-Джонса - время ij, ij - стехиометрические коэффициенты i -го вещества в j-ой реакции ij, nij – приведенные стехиометрические коэффициенты реакций s - теплосодержание s-ой группы капель s - относительное теплосодержание s-ой группы капель – степень образования СО2 при горении угля Индексы + - прямое направление реакции – - обратное направление реакции * - “большая” молекула 0 – начальное значение a – выходное сечение сопла C – углерод (п.4) с – конденсат (п.3) f – выходное значение g, m – газ кр – критический параметр M – минимальное сечение сопла min – минимальное значение max – максимальное значение ос- вход в сопло p - частица R – поверхность капли (п.2); инертные примеси (п.4) rf – “опорное” значение s – номер группы капель (п.2); фракция частицы угля (п.4) т - топливо V - летучие вещества - пар m - парогаз Введение: Газодинамический и реакторный подходы Известно, что процессы горения, протекающие в узлах реальных установок (камера сгорания, газогенераторы, сопла, топки) являются сложными для математического моделирования, т.к. включают множество взаимодействующих явлений (химические реакции, турбулентность, диффузия, тепломассоперенос, освобождение энергии) в неоднородной среде [1]. Анализируя доступную библиографию можно выделить два направления моделирования процессов в узлах установок:

а) газодинамическое, в рамках которого после решения проблем многомерности течений, развиваются модели процессов горения [2,3,4] как правило, используя понятия: «мгновенное реагирование при смешении» или «суммарная реакция». В то же время опубликовано мало работ (например, [5,6]), где при 2-3х мерном моделировании течений вовлекается детальная химическая кинетика. Одна из таких работ [5] моделирует 3-х мерное течение с веществами и 55 химическими реакциями, используя вычислительные ресурсы нескольких исследовательских центров, т.к. требуется чрезмерно большой объем расчетов;

в) химико-кинетическое, в среде которого после решения проблемы моделирования сложных реагирующих систем (например, [7,8]) развиваются модели, учитывающие неоднородность реагирующего объема, включая реакторный подход. В настоящее время учет 500 и более элементарных реакций в однородной среде не является удивительным. Так, например, в работе [9] был сформирован детальный механизм горения керосина и n-декана (со сложной стадией их пиролиза), состоящей из 193 веществ и 1085 реакций. Для исследования этого механизма и его обоснования использовалась собственная инвариантная программа [8]. В работе [10] для расчета процессов в газогенераторе (богатая смесь гидрокарбонатов с кислородом) был разработан и использован механизм, который учитывал 107 веществ и реакции. Математическая модель газогенератора включала 2 реактора идеального смешения.

Влияние испарения капель на процессы горения учитывалось уменьшением времени пребывания реагирующей смеси во втором реакторе.

В рамках реакторного подхода авторами настоящей статьи было сформировано некоторое “ядро” моделирования, т.е. набор математических алгоритмических и программных компонентов, которые являются общими для создания математических моделей и программ расчета процессов в различных типах высокотемпературных агрегатов.

В частности, были созданы модели и программа расчета:

- горение в адиабатном реакторе;

- процессов в баках горячего наддува;

- процессов горения в газогенераторах;

- реагирующих течений в соплах двигателей;

- горения распыленного угля в потоке;

- ламинарного фронта пламени;

- реагирующего пограничного слоя;

- расчет реагирующего газожидкостного течения в рециркуляционной зоне.

Созданные программы являются инвариантными относительно реагирующей среды (т.е. набора веществ и механизма химических реакций) и они образуют пакет программ, называемый NERCHIM. Самую простую из этих программ (ADIABAT) будем называть также базовой программой.

В настоящей работе излагаются:

a) основные компоненты “ядра” моделирования и краткое описание базовой программы (раздел 1);

b) математические модели и численные примеры расчета:



Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 8 |
 


Похожие работы:

«ПРОГРАММА вступительного испытания по направлению подготовки 35.06.01 – сельское хозяйство для поступающих на обучение по программам подготовки научно-педагогических кадров в аспирантуре (поступающие на данное научное направление подготовки имеют возможность в процессе обучения защитить диссертацию на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук по следующим научным специальностям: 06.01.01 - общее земледелие, растениеводство; 06.01.04 – агрохимия; 06.01.05 - селекция и...»

«Персоны и события Январь 02 января 90 лет со дня рождения Айзека Азимова (1920-1992) Американский писатель-фантаст, биохимик, популяризатор науки. Учился в Колумбийском университете. Преподавал в Бостонском университете. Автор ок. 500 произведений. Писал также научно-популярные книги о проблемах естествознания, истории, техники. 04 января 300 лет со дня рождения Перголези Джованни Баттиста (1710-1736) Итальянский композитор, представитель неаполитанской оперной школы. Учился в одной из...»

«1. Пояснительная записка Рабочая программа по дисциплине Основы физколлоидной химии и технологии синтеза ВМС разработана в соответствии с Государственным общеобязательным стандартом технического и профессионального образования по специальности 0702000 Технология и техника разведки месторождений полезных ископаемых. Рабочая программа предназначена для учащихся на базе основного и среднего общего образования для уровней квалификации специалиста повышенного и среднего звена. Курс Основы...»

«Сегодня, полагаясь на фармакологию и врачей, неко торые из нас стали забывать о том, что лечит Природа, а медицина ей лишь помогает. Со многими заболевания ми организм в состоянии справиться сам, поскольку обладает естественными защитными силами. Надо только вовремя поддержать его, и самыми надежными помощ никами в этом могут стать лекарственные растения — неоднократно испытанные средства, применявшиеся для лечения. Давно доказано, что практически все лекарственные растения, которые сейчас...»

«ДОГОВОРУ О НЕРАСПРОСТРАНЕНИИ ЯДЕРНОГО ОРУЖИЯ 40 ЛЕТ В ХХ в. мир впервые столкнулся с оружием огромной разрушительной силы – оружием массового уничтожения (далее – ОМУ). В арсеналах государств появились три его вида: бактериологическое, химическое и ядерное. От применения указанных видов оружия могла бы полностью прекратиться жизнь на Земле. В связи с этим можно вспомнить август 1945 г., когда сброшенные США на японские города Хиросиму и Нагасаки две атомные бомбы унесли десятки тысяч...»

«Л. А. БЕЛЯЕВА БИОХИМИЯ РАСТЕНИЙ Тексты лекций по спецкурсу для студентов IV курса специальности 1 – 31 01 01 02 Биология (научно-педагогическая деятельность) Гомель 2008 УДК 581. 19 (075.8) ББК 28.572 я73 Б447 Рецензент: кафедра химии учреждения образования Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины Рекомендовано к изданию научно-методическим советом учреждения образования Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины Беляева, Л. А. Б447 Биохимия растений:...»

«Программы вступительных испытаний, проводимых ФГБОУ ВПО Астраханский государственный университет, при поступлении на программы среднего профессионального образования на базе основного общего образования СОДЕРЖАНИЕ 1.ПРОГРАММА ПО МАТЕМАТИКЕ.2 2.ПРОГРАММА ПО РУССКОМУ ЯЗЫКУ.5 3. ПРОГРАММА ПО ИСТОРИИ..11 4. ПРОГРАММА ПО ХИМИИ..18 5. ПРОГРАММА ПО БИОЛОГИИ..21 1 1. ПРОГРАММА ПО МАТЕМАТИКЕ 1. Назначение тестирования - измерение уровня подготовки по математике абитуриентов, поступающих в АГУ на...»

«Государственный контракт № 9-ФБ от 14.04.2011 г. СХЕМА КОМПЛЕКСНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ И ОХРАНЫ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ БАССЕЙНА Р. ВОЛГА Книга 3. показатели водных объекЦелевые тов бассейна реки Волга Директор ООО ВЕД, к.т.н. С.Н. Шашков Руководитель проекта А.В. Максимов Москва, 2013 г. С ОД Е Р Ж А Н И Е К Н И Г А 3. Целевые показатели водных объектов бассейна реки Волга Раздел 1. Общая характеристика целевого состояния водных объектов рассматриваемого региона Раздел 2. Целевые показатели качества воды...»

«Garland Publishing, Inc. New York London 3 Б. Албертс Д. Брей Дж. Льюис М. Рэфф К. Робертс Дж. Уотсон МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ КЛЕТКИ 2-е ИЗДАНИЕ, ПЕРЕРАБОТАННОЕ И ДОПОЛНЕННОЕ В 3-х томах 1 Перевод с английского канд. биол. наук Т.Н. Власик канд. биол. наук В. П. Коржа, канд. биол. наук В.М. Маресина, Т.Д. Аржановой, Г. В. Крюковой под редакцией акад. Г. П. Георгиева, д-ра биол. наук Ю.С. Ченцова Москва Мир 1994 4 ББК 28.070 М75 УДК 576.32/36 Федеральная целевая программа книгоиздания России...»






 
© 2013 www.knigi.konflib.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.