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 Доступ платный или 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