Научная статья на тему 'Численное исследование условий фазовых превращений и химического реагирования при воздействии локального источника нагрева на жидкие конденсированные вещества'

Численное исследование условий фазовых превращений и химического реагирования при воздействии локального источника нагрева на жидкие конденсированные вещества Текст научной статьи по специальности «Физика»

CC BY
51
20
Поделиться
Ключевые слова
ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОС / ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ / ХИМИЧЕСКОЕ РЕАГИРОВАНИЕ / ЗАЖИГАНИЕ / МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ / ЖИДКИЕ КОНДЕНСИРОВАННЫЕ ВЕЩЕСТВА / HEAT AND MASS TRANSFER / PHASE CHANGES / CHEMICAL REACTION / IGNITION / MATHEMATICAL MODELLING / LIQUID CONDENSED SUBSTANCES

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Стрижак П. А.

Представлены физическая постановка, математическая модель и алгоритм численного решения наиболее общей задачи тепломассопереноса при зажигании жидкого конденсированного вещества источником ограниченной энергоемкости. Установлены масштабы влияния группы факторов на характеристики процессов тепломассопереноса в сложных системах «источник ограниченной энергоемкостиПжидкое конденсированное вещество-окислитель».

Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Стрижак П. А.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

NUMERICAL INVESTIGATION OF THE CONDITIONS FOR PHASE CHANGES AND CHEMICAL REACTION IN THE INTERACTION OF A LOCAL HEATING SOURCEWITH LIQUID CONDENSED SUBSTANCES

A physical formulation, a mathematical model and an algorithm of numerical solution of the general heat and mass transfer problem for the ignition of a liquid condensed substance by a source with limited heat content are presented. The influence scale of a group of significant factors on the characteristics of heat and mass transfer processes in the complex systems «source with limited heat content-liquid condensed substance-oxidizer» is assessed.

Текст научной работы на тему «Численное исследование условий фазовых превращений и химического реагирования при воздействии локального источника нагрева на жидкие конденсированные вещества»

Механика жидкости и газа Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2011, № 4 (3), с. 1140-1142

УДК 536.468

ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ И ХИМИЧЕСКОГО РЕАГИРОВАНИЯ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ЛОКАЛЬНОГО ИСТОЧНИКА НАГРЕВА НА ЖИДКИЕ КОНДЕНСИРОВАННЫЕ ВЕЩЕСТВА

© 2011 г. П.А. Стрижак

Томский политехнический университет

pavelspa@tpu.ru

Поступила в редакцию 16.05.2011

Представлены физическая постановка, математическая модель и алгоритм численного решения наиболее общей задачи тепломассопереноса при зажигании жидкого конденсированного вещества источником ограниченной энергоемкости. Установлены масштабы влияния группы факторов на характеристики процессов тепломассопереноса в сложных системах «источник ограниченной энергоемкости-жидкое конденсированное вещество-окислитель».

Ключевые слова: тепломассоперенос, фазовые переходы, химическое реагирование, зажигание, математическое моделирование, жидкие конденсированные вещества.

Введение

Статистика причин аварий и травматизма на опасных производственных объектах последних лет [1] показывает, что наиболее пожаро-и взрывоопасными являются предприятия химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей отраслей промышленности. Это обусловлено тем, что на таких объектах достаточно много жидких горючих веществ и потенциальных источников зажигания ограниченной энергоемкости (разогретые до высоких температур металлические и неметаллические частицы малых размеров, проволочки, стержни, сфокусированные потоки излучения и т.д.). В связи с этим актуальны [1] задачи исследований механизмов зажигания жидких конденсированных веществ, характеристик этих процессов и предельных условий их реализации.

За последние годы создана группа моделей тепломассопереноса [2, 3] для численного анализа закономерностей зажигания жидких конденсированных веществ (КВ) источниками ограниченной энергоемкости. При построении моделей, учитывающих нагрев и испарение жидкости с поглощением тепла, диффузионноконвективный перенос паров горючего в среде окислителя, остывание и кристаллизацию материала источника энергии с выделением тепла, радиационный теплоотвод от источника, формирование парового зазора между источником и жидкостью, а также погружение источника в жидкое вещество, применялись модели

[4, 5] и основные положения классических монографий [6, 7].

Математическая модель

В наиболее общей постановке предполагалось, что типичный источник ограниченной энергоемкости — металлическая частица — попадает на поверхность широко распространенного топлива — мазута, частично погружается в него и нагревает топливо. При достижении условий фазового перехода начинается процесс испарения. Между источником нагрева и жидкостью формируется паровой зазор. Вследствие испарения мазута пары горючего поднимаются вверх и диффундируют в воздух. Формируется способная к воспламенению парогазовая смесь. Условия воспламенения смеси реализуются при достижении критических значений концентрации паров мазута и температуры парогазовой смеси.

Исследования выполнялись для частицы в форме диска размерами гр, гр. Решалась осесимметричная задача в цилиндрической системе координат.

Принимались традиционные для классической теории зажигания условия воспламенения.

1. Тепло, выделяемое в результате химической реакции паров горючего с окислителем, больше тепла, передаваемого от частицы жидкому КВ и в воздух.

2. Температура парогазовой смеси превышает начальную температуру частицы.

Для описания комплекса процессов тепло-массопереноса с фазовыми переходами и химическим реагированием при зажигании жидкого топлива разогретой частицей использована следующая система нелинейных нестационарных дифференциальных уравнений неразрывности, движения, энергии, диффузии и баланса парогазовой смеси, а также теплопроводности в жидкой и твердой фазах:

Э2ш 1 Эш Э 2ш Эю Эю Эю

—2—2. = -гю; — + и— + w —

Эг2 г Эг Эг2 Эt Эг Эг

юи

= v

^ Э 2ю 1 Эю Э2ю

+

-+-

ю

Эг2 г Эг dz2 г2

ч

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

p 4C4

+gpdr;

ЭГ

dT4 dT4 dT4

—4 + и—4 + w—4 dt Эг dz

ЭГ,2 1ЭГ, Э^

ЭГ

ЭC

+

Эt

+u

f

ЭГ

+w

Г ЭГ ЭCf

+

Эz

Эz

=D3

ЭC f

+QoWo;

1 C

Эг2

+

ЭГ

+

+

Э^ Эz 2

Wo C3RT

p4 EQo

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Cf + Co = 1;

dT;

Эt

2

+ —

+

Эг2 г Эг Эz

ЭЛ = Эt

Э^2 1ЭT ЭT12

1 +----------1 + ■ 1

Эг2 г Эг Эz

+

WcQc

zpp1C1

вая скорость кристаллизации материала частицы, кг/ (м2с); <2С - тепловой эффект кристаллизации материала частицы, кДж/кг.

Результаты и обсуждение

В таблицах 1, 2 представлены зависимости времен задержки воспламенения мазута от начальной температуры частицы Тр и ее размеров соответственно.

Таблица 1 Времена задержки воспламенения в зависимости от Тр при гр = 2р = 0.003 м

Tp, К 1513 1473 1433 1393 1353

td, с G.G164 G.G176 G.G191 G.G417 G.G655

Tp, К 1313 1273 1243

td, с G.1134 G.2117 нет воспламенения

Таблица 2 Времена задержки воспламенения в зависимости от гp при Tp = 1313 К, zp = G.GG3 м

Гp, м G.GG45 G.GG4G G.GG35 G.GG3G G.GG25

td, с G.G694 G.G8G2 G.G967 G.1134 G.1365

м G.GG2G G.GG15 G.GG1G

td, с G.1728 G.2239 нет воспламенения

Здесь t - время, с; td - время задержки воспламенения, с; г, г — координаты цилиндрической системы; гь, гь — размеры области решения, м; Ш — функция тока, м2/с; ю — вектор вихря скорости, с-1; и,^ — составляющие скорости конвекции смеси паров горючего и окислителя в проекции на ось г и г соответственно, м/с; V — кинематическая вязкость, м2/с; Т — температура, К; Тр - начальная температура частицы, К; в -коэффициент термического расширения, К-1; g — ускорение свободного падения в проекции на ось г, м/с2; р — плотность, кг/м3; С — удельная теплоемкость, Дж/(кгК); X — коэффициент теплопроводности, Вт/(м К); Qo - тепловой эффект реакции окисления паров горючего в воздухе, МДж/кг; Ж0 - массовая скорость окисления паров горючего в воздухе, кг/(м3с); Су — концентрация паров жидкого горючего вещества; О - коэффициент диффузии паров горючего в воздухе, м2/с; ^ - универсальная газовая постоянная, Дж/(моль К); Е — энергия активации, кДж/ моль; С0 — концентрация окислителя; а — коэффициент температуропроводности, м2/с; Жс — массо-

Из таблиц видно, что инерционность исследуемого процесса зажигания существенно зависит от теплосодержания частицы, которое определяется начальной температурой Tp и размерами rp, zp. Также в [3, 4] приведены результаты исследования масштабов влияния параметров жидкостей, окружающей среды и процессов на характеристики зажигания.

Результаты выполненных исследований позволяют сделать вывод о том, что предложенная модель тепломассопереноса может быть использована для анализа процессов взаимодействия типичных жидких конденсированных веществ с различными источниками нагрева ограниченной энергоемкости.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Президента РФ (МК-330.2010.8).

Список литературы

1. Акинин НИ., Булхов Н.Н., Гериш В.А. Статистический анализ причин аварий и травматизма на опасных производственных объектах // Пожаровзры-вобезопасность. 2010. №10. С. 53-55.

2. Kuznetsov G.V., Strizhak P.A. On peculiarities of heat and mass transfer in a hot metal particle - liquid fuel condensed substance - air system // Journal of Engineering Thermophysics. 2009. No 3. P. 241-248.

3. Кузнецов Г.В., Стрижак П.А. Зажигание конденсированных веществ при локальном нагреве. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2010. 269 c.

Г

Г

2

4. Kuznetsov G.V, Sheremet M.A. Conjugate natural convection with radiation in an enclosure // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2009. V. 52. Is. 9-10. P. 2215-2223.

5. Kuznetsov G.V., Sheremet M.A. Mathematical modeling of complex heat transfer in a rectangular enclosure

// Thermophysics and Aeromechanics. 2009. V. 16, No 1. P. 119-128.

6. Роуч П.Дж. Вычислительная гидродинамика. М.: Мир, 1980. 616 с.

7. Седов Л.И. Механика сплошной среды. М.: Наука, 1994. Т. 1. 528 с.

NUMERICAL INVESTIGATION OF THE CONDITIONS FOR PHASE CHANGES AND CHEMICAL REACTION IN THE INTERACTION OF A LOCAL HEATING SOURCE WITH LIQUID CONDENSED SUBSTANCES

FA. Strizhak

A physical formulation, a mathematical model and an algorithm of numerical solution of the general heat and mass transfer problem for the ignition of a liquid condensed substance by a source with limited heat content are presented. The influence scale of a group of significant factors on the characteristics of heat and mass transfer processes in the complex systems «source with limited heat content-liquid condensed substance-oxidizer» is assessed.

Keywords: heat and mass transfer, phase changes, chemical reaction, ignition, mathematical modelling, liquid condensed substances.