Оспанова
Ш.С.
Казахский
национальный университет имени аль-Фараби, г. Алматы, Казахстан
Моделирование
процессов горения жидких топлив в ВУЗах
Знание свойств и законов горения различных веществ
является очень важным, тем более что в любой области техники в настоящее время
ставится задача всемирной интенсификации процессов и экологический чистоты
производства.
В Казахском национальном университете имени аль-Фараби
на физико-техническом факультете студентам и магистрантам преподается
специальная дисциплина «Физика горения и взрыва». Для этой дисциплины в
лаборатории«Моделирования процессов тепломассопереноса» кафедры теплофизики и
технической физики разработаны компьютерные лабораторные работы, которые
отражают современные подходы к организации
специального практикума.
Для детального исследования процесса
горениянами используются методы численного
моделирования, позволяющие решить задачи, усложненные большим количеством
взаимосвязанных процессов и явлений, таких как турбулентность.
Поэтому компьютерное моделирование становится все
более важным элементом исследования процессов горения и проектирования
различных устройств, использующих процесс горения. Численное моделирование
существенно преобразует также сам характер научных исследований, устанавливая
новые формы взаимосвязи между экспериментальными и математическими методами. В
науке и технике преимущества метода компьютерного моделирования очевидны:
оптимизация проектирования, сокращение затрат на отработку, повышение качества
продукции, уменьшение эксплуатационных расходов и т.д [2].
Виртуальный лабораторный практикум по дисциплине
«Физика горения и взрыва»основан на комплексе компьютерной программы KIVA-II [2].
Каждая работа состоит из шести разделов и предназначена для студентов и
магистрантов физико-технического факультета. Первый раздел посвящен краткому
теоретическому введению, где дано описание процессов воспламенения и горения
жидкого топлива и их особенности. «Основные уравнения», представленные во
втором разделе, где математическая модель задачи о
горении впрыска жидкого топлива включает в себя уравнение неразрывности
для компонентов реакции горения, уравнение импульса, уравнение
энергии, уравнения k-ε
модели турбулентности [3].Постановка задачи третьего раздела включает в себя
описание камеры сгорания и последовательность действий. Жидкое топливо
при некоторой начальной температуре впрыскивается в камеру сгорания через
круглое сопло, расположенное в центре нижней части камеры. Камера сгорания
(рис. 1) представляет собой цилиндр высотой H и радиусом r,
заполненный воздухом при температуре Tи при давлении P[3]. После
впрыска происходит быстрое испарение топлива, пары топлива смешиваются с
окислителем, и сгорание осуществляется в газовой фазе. Процесс горения жидкого
топлива является быстро протекающим, и его длительность не превышает, в
среднем, 4 мс. После впрыска происходит быстрое испарение топлива, пары топлива
смешиваются с окислителем, и сгорание осуществляется в газовой фазе [2].
Рисунок
1 – Геометрия камеры сгорания.
Вычислительные эксперименты, описанные в разделе «Порядок выполнения работы», направлены на
исследование влияния начальных условий на процессы воспламенения и горения впрыска
жидких распыленных топлив, образования продуктов реакции в камере сгорания.
Следующие разделы, посвящены контрольным
вопросам и литературе.
Ниже приведены примеры выполнения лабораторных работ
бакалаврами и магистрантами.
Лабораторная работа № 1. Численное
исследование влияния начальной температуры на воспламенение, горение впрыска
жидкого топлива и концентрацию паров топлива в камере сгорания.
Цель работы: изучение влияния
начальной температуры на процессы воспламенения и горения жидкого топлива, а
также на изменение концентрации паров топлива с помощью пакета компьютерных
программ для численного расчета реагирующих течений с впрысками.
Лабораторная работа № 2. Численное
исследование влияния начального радиуса впрыскиваемых капель на воспламенение
впрыска жидкого топлива в камере сгорания.
Цель работы: изучение влияния
начального радиуса впрыскиваемых капель на процесс воспламенения жидкого
топлива в камере сгорания методами компьютерного моделирования.
Лабораторная работа № 3. Исследование
влияния впрыскиваемой массы жидкого топлива на процесс горения в цилиндрической
камере сгорания.
Цель работы: исследование
горения жидкого топлива и выделения углекислого газа в зависимости от
впрыскиваемой массы в камере сгорания при заданных начальных условиях и
определение оптимального режима горения с помощью программы KIVA-II.
Лабораторная работа № 4. Численное
исследование влияния скорости впрыска на процесс горения жидкого топлива в
цилиндрической камере сгорания.
Цель работы: исследование
процесса горения в зависимости от скорости впрыска жидкого топлива в камере
сгорания при заданных начальных условиях в разные моменты времени и определение
оптимального режима горения с помощью программы KIVA-II.
В раздел «Порядок выполнения работы» включены задания
поопределению времени воспламенения, получению в графическом виде для визуального
восприятия с помощью программыTecplotхарактеристик
процесса горения, таких как температуры газа и частиц топлива, скорости частиц,
концентрации компонентов реакции, а также характеристик образования продуктов
реакции в камере сгорания. Для мониторинга студентам и магистрантампредлагается
построить вышеупомянутые характеристики процессов воспламенения и горения в
динамике с помощью программ MicrosoftExcel, MathCAD
и для лучшего понимания этих процессов в видео форматеavi.
Использованные источники:
1. Сполдинг
Д.Б. Горение и массообмен. Пер. с англ. Р.Н. Гизатуллина и В.И. Ягодкина /Под
ред. В.Е. Дорошенко. – М.: Машиностроение, 1985. - 240 с.
2. Amsden A.A.,
O'Rourke P.J., Butler T.D. KIVA-II: A computer program for chemically reactive
flows with sprays, Los Alamos. 1989. - 160с.
3.
Аскарова А.С., Гороховски М.А., Рыспаева М.Ж., Волошина И.Э.Исследование
образования продуктов реакции при сжигании впрыска жидких топлив// Материалы
II Международного Конгресса студентов и молодых ученых «Мир Науки»,
Алматы, 2008. – С. 30.
Оставьте свой комментарий
Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.