УДК 536.46

ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СТАЦИОНАРНОЙ СТРУКТУРЫ ВОЛНЫ ФИЛЬТРАЦИОННОГО ГОРЕНИЯ ГАЗА

М.М.Кабилов¹, И.Х.Халимов²

¹Российско-Таджикский(славянский) университет, Душанбе

²Институт математики академии наук Республики Таджикистан, Душанбе

Произведен численный расчет основных характеристик стационарной структуры волны фильтрационного горения газа (ФГГ) в инертной пористой среде в зависимости от скорости вдува газа, состава заранее перемешанных водородно-воздушной смеси, диаметра частиц твердой фазы и коэффициента теплопроводности пористой среды.

СТАЦИОНАРНАЯ СКОРОСТЬ ВОЛНЫ

Характеристики волны ФГГ являются функциями параметров пористой среды и смеси газов, поэтому тщательное изучение этих характеристик является предметом исследования. Знание стационарной скорости распространения волны необходимо для определения время прохождения волны ФГГ в огнепреградителе и, поскольку они имеют ограниченные размеры, то для изменения направления распространения волны используются различные параметры пористой среды и смеси газов.

В рассматриваемой адиабатической модели процесса ФГГ предполагаются, что молекулярные веса исходной смеси и продуктов сгорания одинаковы, течение газа без трения с пренебрежимо малым градиентом давления и отсутствуют диффузия и теплопроводность в газе [1,2].

Структура стационарных волн ФГГ изучается в движущейся с постоянной скоростью системе координат

Здесь - температуры твердой и газовой фаз; - относительная массовая концентрация недостающего компонента; - скорость потока газа в порах; - приведенные плотности и теплоемкости смеси газов; - те же величины для пористой среды; - текущие приведенная и истинная плотности газовой фазы;- коэффициенты теплопроводности газовой и твердой фаз; - объемное содержание твердой фазы; - поверхностный коэффициент межфазного теплообмена; - удельная поверхность пористой среды; - тепловой эффект реакции; - скорость химической реакции; - энергия активации; - универсальная газовая постоянная; - диаметр частиц твердой фазы; - предэкспонент; - числа Нусельта, Рейнольдса, Прандтля соответственно; - динамический коэффициент вязкости; - эффективный диаметр пор.

Граничными условиями задачи являются условия на бесконечности

Для детального численного анализа влияния параметров системы пористая среда – газ на характеристики волны ФГГ и достаточного представления о ее стационарной структуре при каждом значение скорости вдува от 0,5м/с до 6м/с, с интервалом 0,5м/с, диаметра частиц твердой фазы из интервала 0,5-6,0мм и процентного содержания водорода в смеси, рассчитывали скорость распространения волны ФГГ, распределения температур фаз, максимальную и равновесную температур, толщины зон прогрева, горения и внутренней релаксации. В целом для каждой характеристики волны получены таблицы размером 12х12. На рис.1 приводятся расчетные зависимости скорости волны от диаметра частиц пористой среды при различных значениях скорости вдува. Как видно из этого рисунка стоячая волна горения реализуется при больших скоростях вдува газа и, чем больше скорость вдува, тем меньше диаметр частиц. Для наглядного представления изменения скорости волны от скорости вдува при разных диаметрах частиц на рис.2, приводятся кривые этих зависимостей, которые соответствуют диаметрам частиц (мм): 1; 2; 3; 4; 5; 6, снизу вверх.

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СТРУКТУРЫ ВОЛНЫ

Для анализа влияния параметров системы на толщины зон прогрева, горения и внутренней релаксации определены координаты точки равенства температур фаз, максимальной температуры газовой фазы и равновесной температуры. Условно зона прогрева определена от начальной расчетной точки до равенства температур фаз перед фронтом ФГГ. Зона горения определена от точки равенства температур фаз до максимальной температуры газовой фазы, и зона внутренней релаксации определяется от точки максимальной температуры газовой фазы до равновесной температуры.

Толщина зоны горения изменяется от 0,1мм до 0,8мм. Максимальная толщина приходится на диаметр частиц -1мм и скоростью вдува – 1м/с, а минимальная на 6мм и 4м/с соответственно. Наблюдаются уменьшение толщины по мере увеличения диаметра частиц, при каждом значение скорости вдува. Кривые зависимости толщины зоны горения от скорости вдува при каждом фиксированном значение диаметра частиц имеет минимум, и этот минимум приходится приблизительно на скорость вдува 4м/с.

Толщина зоны внутренней релаксации изменяется в пределах от 0,65мм до 5,2мм. Максимальная толщина приходится на диаметр частиц - 6мм и скоростью вдува газа – 1м/с, минимальная соответствует диаметру частиц 1мм и скоростью вдува 6м/с. Толщина этой зоны увеличивается с увеличением диаметра частиц при каждом значение скорости вдува и уменьшается с увеличением скорости вдува при фиксированном значение диаметра частиц.

Толщина зоны прогрева увеличивается в среднем на 5мм при изменении диаметра частиц от 1мм до 6мм при каждом фиксированном значении скорости вдува. Кривые зависимости толщины зоны прогрева от диаметра частиц располагаются все ниже и ниже с увеличением скорости вдува газа (от 1м/с до 6м/с). Кривые зависимости толщины зоны прогрева от скорости вдува имеют экспоненциально-убывающий вид, причем зависимость соответствующая минимальному диаметру частиц располагается ниже всех зависимостей.

На рис.3 приведены кривые зависимости скорости волны от коэффициента теплопроводности пористой среды при различных скоростях вдува в м/с: 1; 2; 3; 4; 5; 6, кривые соответствуют снизу вверх (по оси ординат), диаметр частиц 1мм. Как видно из рис.3 при скоростях вдува 1-3м/с скорость волны отрицательно при всех значениях коэффициента теплопроводности и, поэтому невозможно изменить направления распространения волны, создав засыпной огнепреградитель с различными коэффициентами теплопроводности в противоположных частях.

Литература

1. Какуткина Н.А.,Коржавин А.А.,Намятов И.Г.,Рычков А.Д.//Пожарная безопасность, 2006, №5, с.59-72.

2. Какуткина Н.А.,Коржавин А.А. ,Рычков А.Д.,Сеначин П.К. //Ползуновский вестник, 2007, №4, с.33-38.