Распространение осесимметричной турбулентной струи метана в спутном потоке воздуха при горении с конечной скоростью

Предложен численный метод решения задачи о распространении осесимметричной струи метана в бесконечном спутном потоке воздуха. Для моделирования использованы безразмерные уравнения турбулентного пограничного слоя реагирующих газов в координатах Мизеса. Для замыкания уравнения Рейнольдса использована модифицированная модель турбулентности k - ε, которая является низкорейнольдсовой моделью. Полагая одинаковыми интенсивности конвективного и турбулентного переносов компонентов и используя стехиометрические соотношения концентраций компонентов при горении, пять уравнений переноса и сохранения массы компонентов приведены к двум уравнениям для относительно избыточной концентрации горючего газа. Из решений этих уравнений определены концентрации компонентов. Переходом к относительно-избыточным скоростям и полной энтальпии краевые условия для трех уравнений приведены к общему виду. Для решения задачи в координатах Мизеса использована двухслойная, шеститочечная неявная конечно-разностная схема, обеспечивающая второй порядок точности аппроксимации по координатам. В силу нелинейности уравнений сохранения и переноса субстанций реализован итерационный процесс. Исследовано влияние радиуса сопла горючего на показатели турбулентной струи и факела. Установлено, что в бесконечном спутном потоке горючего с уменьшением радиуса сопла скорость химической реакции и максимальная температура в области расчета убывают, а количество несгоревшей части горючего газа возрастает

Литература

[1] Вулис Л.А., Ершин Ш.А., Ярин Л.П. Основы теории газового факела. Л., Энергия, 1968.

[2] Абрамович Г.Н., ред. Теория турбулентных струй. М., Наука, 1984.

[3] Алиев Ф., Жумаев З.Ш. Струйные течения реагирующих газов. Ташкент, Фан, 1987.

[4] Демидова О.Л. Численное моделирование закрученных струй с неравновесными химическими процессами. Труды МАИ, 2012, № 57. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=30701

[5] Шаклеин А.А. Исследование моделей ламинарного диффузионного горения. Химическая физика и мезоскопия, 2015, т. 17, № 2, с. 192--202.

[6] Дешко А.Е. Численное моделирование дозвукового неравновесного горения струи пропана в спутном потоке воздуха. Прикладна гiдромеханiка, 2015, т. 17, № 2, с. 20--25.

[7] Жуков В.Т., Новикова Н.Д., Феодоритова О.Б. О методологии численного моделирования процессов горения в высокоскоростной камере сгорания на основе OpenFoam. Математическое моделирование, 2018, т. 30, № 8, с. 32--50.

[8] Тимошенко В.И., Дешко А.Е., Белоцерковец И.С. К вопросу интенсификации горения углеводородного топлива в спутном потоке воздуха. Техническая механика, 2010, № 3, с. 71--80. URL: http://nbuv.gov.ua/UJRN/TMekh_2010_3_9

[9] Козубкова М., Крутиль Я., Неврлий В. Экспериментальное исследование и численное моделирование горения метана в областях со сложной геометрией. Физика горения и взрыва, 2014, т. 50, № 4, с. 8--14.

[10] Гремячкин В.М., Ефимов А.С. О кинетике гетерогенных реакций углерода с кислородом при горении пористых частиц углерода в кислороде. Физико-химическая кинетика в газовой динамике, 2010, т. 9, № 1, с. 225--231.

[11] Деменков А.Г., Илюшин Б.Б., Черных Г.Г. Численное моделирование осесимметричных турбулентных струй. Прикладная механика и техническая физика, 2008, т. 49, № 5, с. 55--60.

[12] Zhou X., Sun Z., Durst F., et al. Numerical simulation of turbulent jet flow and combustion. Comput. Math. Appl., 1999, vol. 38, iss. 9-10, pp. 179--191. DOI: https://doi.org/10.1016/S0898-1221(99)00273-4

[13] Зельдович Я.Б. К теории реакции на пористом или порошкообразном материале. Журнал физической химии, 1939, т. 13, № 2, с. 163--168.

[14] Буркальцев В.А., Лапицкий В.И., Новиков А.В. и др. Математическая модель и расчет характеристик рабочего процесса в камере сгорания ЖРД малой тяги на компонентах топлива метан--кислород. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение, 2004, спец. вып.: Теория и практика современного ракетного двигателестроения, с. 8--17.

[15] Лисаков С.А., Сыпин Е.В., Тупикина Н.Ю. и др. Постановка задачи моделирования процесса нестационарного горения метановоздушной смеси в угольных шахтах. Вестник научного центра по безопасности работ в угольной промышленности, 2018, № 1, с. 20--33.

[16] Самарский А.А., Вабищевич П.Н. Вычислительная теплопередача. М., Едиториал УРСС, 2003.

[17] Иссерлин А.С. Основы сжигания газового топлива. Л., Недра, 1987.

[18] Zambon A.C., Chelliah H.K. Self-sustained acousticwave interactions with counterflow flames. J. Fluid Mech., 2006, vol. 560, pp. 249--278. DOI: https://doi.org/10.1017/S0022112006000498

[19] Ширковский А.И. Разработка и эксплуатация газовых и газоконденсатных месторождений. М., Недра, 1979.

[20] Schwiedernoch R., Tischer S., Correa C., et al. Experimental and numerical study on the transient behavior of partial oxidation of methane in a catalytic monolith. Chem. Eng. Sci., 2003, vol. 58, iss. 3-6, pp. 633--642. DOI: https://doi.org/10.1016/S0009-2509(02)00589-4

[21] Boukhalfa N. Chemical kinetic modeling of methane combustion. Procedia Eng., 2016, vol. 148, pp. 1130--1136. DOI: https://doi.org/10.1016/j.proeng.2016.06.561

[22] Хужаев И.К., Хамдамов М.М., Абдусатторов С.Ш. Численный метод решения задачи об осесимметричной турбулентной струе пропанобутановой смеси при диффузионном горении. Проблемы вычислительной и прикладной математики, 2018, № 3, с. 61--78.

[23] Khojaev I.K., Hamdamov M.M. Numerical results of diffusion combustion in turbulent flow of reacting gases. IJAST, 2020, vol. 29, no. 9S, pp. 2060--2074.

[24] Khojaev I.K., Hamdamov M. Numerical method for calculating axisymmetric turbulent jets of reacting gases during diffusion combustion. JARDCS, 2020, vol. 12, no. 7S. DOI: http://doi.org/10.5373/JARDCS/V12SP7/20202324

[25] Жумаев Ж. Исследование начального участка турбулентных струй реагирующих газов. Дис. ... канд. физ.-мат. наук. Ташкент, Ин-т механики и сейсмостойкости сооружений, 1991.