Влияние разрядно-индуцированных компонент на процесс горения капель углеводородного топлива Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 621.43.056+519.6

Д-р техн. наук В. А. Богуслаев1, канд. техн. наук Д. А. Долматов2

1АО «Мотор Сич», г. Запорожье 2Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского «ХАИ», г. Харьков

ВЛИЯНИЕ РАЗРЯДНО-ИНДУЦИРОВАННЫХ КОМПОНЕНТ НА ПРОЦЕСС ГОРЕНИЯ КАПЕЛЬ УГЛЕВОДОРОДНОГО ТОПЛИВА

В статье рассматриваются вопросы корреляции скорости выгорания углеводородов и концентраций возбужденных частиц и радикалов в приповерхностных слоях капли испаряющегося топлива при воздействии электрического разряда. Рассмотрены различные конфигурации распределения важнейших веществ в окрестности реагирующей капли, установлена взаимосвязь между характером формирования ионизированного микрослоя и скоростью горения. При помощи численного моделирования изучен процесс горения и разрушения капель различного диаметра при различных долях остаточных углеводородов при прохождении через зону вторичной ионизации стационарного разряда.

Ключевые слова: гетерогенная среда, свободный радикал, ион, возбужденная частица, скорость горения, стационарный разряд.

Постановка задачи и общие вопросы гетерогенного горения

Исследование влияния химической кинетики гетерогенного горения на интегральные параметры процесса — в частности, на скорость горения и поля параметров — в настоящее время является одной из наиболее актуальных и вместе с тем наиболее сложных проблем теории горения и физической химии реагирующих сред. Методика экспериментального исследования детализированной кинетики реагирующей среды при помощи высокоточной ЛИФ-спектроскопии [1], позволяющая получать точную картину распределения параметров в ламинарных и в большинстве турбулентных гомогенных пламен низших углеводородов, не вполне применима к гетерогенным пламенам, в особенности, содержащим зоны с повышенным содержанием возбужденных нейтральных частиц и ионов. Наличие множественных границ раздела фаз и участков с большим градиентом значения диэлектрической проницаемости среды существенно усложняет спектр излучения, в том числе в диапазоне частот, соответствующих индуцированной флуоресценции [2]. Дополнительным негативным фактором является невозможность получения ЛИФ-эффекта для определенных категорий возбужденных частиц —

а, следовательно, и затруднительность прямого замера их концентраций. С учетом перечисленных факторов возрастает роль численных экспериментов при исследовании структуры нестандартных гетерогенных пламен, в частности, электрохимических [3—5].

© В. А. Богуслаев, Д. А. Долматов, 2013

Решение задачи совместного моделирования реагирующего течения и горения множественных капель с использованием детализированной кинетики генерального баланса электрохимических реакций требует очень высоких вычислительных мощностей и в настоящее время не имеет непосредственного практического приложения. Гораздо больший интерес представляет исследование взаимодействия с потоком изолированной капли либо множественных капель при заданных интегральных параметрах среды, соответствующих условиям при термическом горении с учетом теплового потока от стационарного разряда. При подобной формулировке начальных и граничных условий становится возможным многопараметрическое исследование влияния химического состава и характеристик капли на распределение параметров в пространстве и, в конечном итоге, на макропараметры процесса. Таким образом, в настоящей работе объектом исследования является одиночная капля топлива с переменным химическим составом и формой, проходящая сквозь зону вторичной ионизации разряда при различных значениях энергии свободных электронов основного тела разряда (а, следовательно, и химического состава зоны вторичной ионизации). Имеющиеся данные численных экспериментов [4], являясь недостаточными для построения достоверной многоуровневой модели горения, вместе с тем позволяют определить возможные диапазоны характерных величин, определяющих развитие горения и эволюции капли в потоке.

Поскольку при высоких температурах время существования жидкой фазы в потоке детерминируется суперпозицией скорости испарения, определяемой по уравнениям Клапейрона-Клазиу-са и неразрывности двухфазной среды:

г+^_1, р, р,

■ + -

д1 дх3

дх

д?

(?,./■1 )=

_ О,, с1Т ~ ТАи

Р1,8 дХ

{х;1 - х} д?

Т - Т 11

Т ?

®1

(1)

_ 0, (2)

(3)

(4)

зительно совпадают с жидкой фазой) позволяет варьировать стартовый размер в пределах 10—60 % от начального диаметра топливной капли; распределение концентраций остаточных С^Ну позволяет с погрешностью не выше 15 % задавать концентрации радикалов определенного типа вблизи поверхности исследуемых капель. Статическое давление в газовой фазе принято постоянным.

Для упрощения модели (без значительного снижения точности) предполагается, что все капли в начальный момент времени представляют собой идеальные сферы с симметричным распределением веществ в радиальном направлении в приповерхностном слое, а основная зона течения — гомогенную среду с постоянными по времени концентрациями реагентов. Процесс горения капли является нестационарным, граничные условия на границах расчетной области рассчитываются на основании эйлеровых координат условного центра масс капли в установившемся течении.

и суммарного производства газообразной фазы в ходе поверхностных реакций, что для температур свыше 1900 К составляет значительно меньше среднего времени выгорания капли, то в настоящей работе рассматриваются пламена со сравнительно низкими средними температурами в зоне зажигания и ранним расположением разрядников [3]. Такой подход позволяет варьировать стартовый диаметр капли топлива при ее вхождении в зону вторичной ионизации (являющийся, разумеется, функцией начального диаметра капли и скорости редукции диаметра; находится по (1)-(4)). Хотя непосредственного взаимодействия капли с электронами разряда при заданных условиях не происходит в силу их пренебрежимо малой концентрации во вторичной зоне, мощность разряда можно использовать в качестве параметра, определяющего химический состав и температуру окружающей среды в непосредственной окрестности капли. В ходе численных экспериментов граничные условия задавались в виде функционалов от координат и энергии удаленного разряда, при этом концентрация свободных радикалов определялась в ходе анализа концентрационных коэффициентов чувствительности по электронам с заданной энергией [5].

На рис. 1 представлено поле параметров остаточных углеводородов, полученное в ходе численного моделирования электрохимических углеводородных пламен для вторичной зоны [4]. Спутная координата рассматриваемого сечения в работе [4] соответствует сечению, на 5—8 мм вниз по течению потока от сечения оси разряда. Заметная деформация и дробление капли (поскольку зоны с близкой к 100 % долей непрореагировавших углеводородов в данном случае прибли-

Рис. 1. Распределение остаточных углеводородов (численный эксперимент)

Влияние удаленного разряда на производство возбужденных компонент

Реагенты в неосновном состоянии, квантовом или колебательном, обладают значительно большей реакционной способностью по сравнению с базовыми веществами [6]. Однако до сих пор невыясненным остается вопрос конкретных механизмов воздействия определенных веществ на структуру пламени, интенсивность теплового потока и скорость окисления молекул топлива. В ходе проведенных численных экспериментов было установлено наличие нелинейной взаимосвязи между содержанием возбужденных гидроксильных радикалов, атомарного кислорода и некоторых отрицательных ионов и скоростью

выгорания капли. С помощью программного пакета высокого уровня были получены распределения характерных параметров в трехмерном пространстве в различные моменты времени. Математическая модель, использовавшаяся при расчетах, основана на уравнениях движения турбулентной вязкой сжимаемой сплошной среды, уравнениях Максвелла для определения источнико-вого члена производства возбужденных частиц и замыкающих уравнений состояния двухфазной среды [4].

На рис. 2-3 представлены эпюры концентраций возбужденных частиц и ионов для различной энергии свободных электронов разряда и стартового диаметра капли в момент времени х _ 62,5 мкс. Красной пунктирной линией обозначен стартовый диаметр капли. Стационарный разряд расположен справа, давление 6 атм. Электрохимические реакции вторичной зоны включают релаксацию и перезарядку (электронная эмиссия и адгезия не учитываются).

а) ds = 24 мкм; е<30эВ

“он-а.п.

т 200 1X11

б) ds = 9 мкм;

є < 30эВ

в) ds = 22 мкм; є = 30...40эВ Рис. 2. Молярная доля возбужденных гидроксильных радикалов ( Е, П, А и др.)

а) ds = 24 мкм; е<30эВ

= 9мкм; є < 30эВ

в) ds = 22 мкм; є = 30...40 эВ

Рис. 3. Молярная доля атомарного кислорода (3Р, !Ю) и ионов О-, О2-, О2"

Как видно из результатов расчетов, картина распределения возбужденных частиц достаточно сложна. Можно отметить, что увеличение энергии разряда однозначно приводит к росту концентраций частиц с высоким порогом ионизации/возбуждения, в первую очередь — производных атомарного кислорода (см. рис. 3) и некоторых других веществ. В целом можно сделать вывод, что при любом стартовом диаметре капли и во всем рассматриваемом диапазоне энергии разряда проявляется эффект смещения зоны собственного интенсифицированного производства возбужденных радикалов и ионов в сторону разряда; при этом, очевидно, дрейфовый и диффузный вклад в долю частиц минимален (кроме производных атомарного кислорода при высокой энергии, см. рис. 3, в), а основной вклад в создание зон повышенной реакционной способности вносит сочетание турбулентного горения вблизи поверхности капли и воздействия электромагнитного поля.

Скорость горения в различных зонах вблизи поверхности капли

Рассматривая вопрос о влиянии концентраций характерных веществ, полученных в ходе 3Б-моделирования, на скорость горения , были

исследованы процессы на различных участках пламени. В частности, особый интерес представлял собой характер горения в зонах с одинаковым содержанием возбужденных радикалов/ ионов, но различным положением относительно капли и разряда. Было установлено, что влияние концентраций контрольных веществ на но-

сит различный характер в промежутке между ближайшей к разряду проницаемой границей и на

Рис. 4. Uf — f (®oH* )

Рис. 5. uf — f (wo*,o- )

противоположной стороне капли, причем концентрация невозбужденных частиц (углеводородных радикалов и других реагентов, участвующих в скоростьопределяющих реакциях [6]) в контрольных точках практически совпадает. На рис. 4 и 5 представлены зависимости от молярной доли возбужденных реагентов для различных участков реактора.

Как видно из рис. 4 и 5, в целом возбужденные гидроксильные радикалы сходны по воздействию на пламя со стандартными; локальное снижение скорости горения вблизи максимальных значений Woh* следует отнести на счет падения доли топлива в соответствующей зоне — очевидно, для течения с множественными каплями будет наблюдаться несколько иной род зависимости. Напротив, для капель различного диаметра при варьировании параметров разряда наблюдаются весьма существенные различия в поведении скорости горения как функции Wo* o~

(рис. 5). В ходе дальнейших экспериментов предполагается исследование большего числа управляющих факторов и уточнение зависимостей для модели с множественным числом капель.

Список литературы

1. Turbulence measurements and observations of turbulent premixed flames of elevanted pressures up to 3 MPa / H. Kobayashi, T. Nakashime, T. Tamure etc. // Combustion and Flames, 1997. — Vol. 108. - P. 104-117.

2. Takahashi T. Measurement of NO rotational and vibrational temperatures in arc heated flow by LIF spectroscopy / T. Takahashi, T. Yamada, Y. Inatani // 20th International Symposium on Space Technology and Science, Gifu, Japan, May 19-25, 1996.

3. Законы горения / под общ. ред. Ю. В. Полежаева. — М. : Энергомаш, 2006. — 352 с.

4. Долматов Д. А. Г орение одиночной капли углеводородного топлива в присутствии стационарного разряда / Д. А. Долматов // Авиационно-космическая техника и технология. — 2012. — №9/96. — С. 81—86.

5. Долматов Д. А. Химическая кинетика реакций возбужденных частиц при слабой ионизации среды / Д. А. Долматов, А. В. Кукурудза, М. Хадживанд // Авиационно-космическая техника и технология. — 2012. — №8/95. — С. 73—78.

6. Испарение и горение капли углеводородно -го топлива. Неэмпирическая модель испарения капли с учетом многокомпонентной диффузии / С. М. Фролов, В. С. Посвянский, В. Я. Басевич и др. // Химическая физика. — 2004. — Т. 23. — № 4. — С. 75—83.

Поступила в редакцию 11.02.2013

Богуслаєв В.О., Долматов Д.А. Вплив розрядно-індукованих компонент на процес горіння краплин вуглеводневого палива

Стаття містить розгляд питань кореляції швидкості вигоряння вуглеводневої краплини та концентрацій збуджених часток і радикалів у приповерхневих шарах краплини палива, що випаровується під впливом електричного розряду. Розглянуто різні конфігурації розподілу важливих речовин біля реагуючої краплини, встановлено взаємозв ’язок між характером формування іонізованого прошарку і швидкістю горіння. За допомогою чисельного моделювання досліджено процес горіння та руйнування краплин різного діаметру при проходженні через зону вторинної іонізації.

Ключові слова: гетерогенне середовище, вільний радикал, іон, збуджена частка, швидкість горіння, стаціонарний розряд.

Boguslaev V., Dolmatov D. Effect of discharge-induced components on hydrocarbon fuel drops burning rate

The paper considers correlation of hydrocarbons burning rate and concentration of excited particles and radicals in subsurface layers of evaporating fuel drop in presence of electric discharge. Different patterns of important matter distribution in the vicinity of active drop are considered, and correlation between the nature of ionized microlayer formation and burning rate is established. Numeric modeling was used for studies of burning and destruction processes of different diameter drops with different fractions of residual hydrocarbons in the presence of stationary discharge passing via the secondary ionization zone.

Key words: heterogeneous medium, free radical, ion, excited particle, flame velocity, stationary arc.