Аскарова А.С, Болегенова С.А., Березовская И.Э., Оспанова Ш.С.

Казахский национальный университет имени аль-Фараби, Казахстан

Численное моделирование физико-химических процессов при чтении спецкурсов по горению веществ для студентов старших курсов

Знание свойств и законов горения различных веществ является очень важным, тем более что в любой области техники в настоящее время ставится задача всемирной интенсификации процессов и экологический чистоты производства.

В Казахском национальном университете имени аль-Фараби на физико-техническом факультете студентам и магистрантам преподается специальная дисциплина «Физика горения и взрыва». Для этой дисциплины в лаборатории «Моделирование процессов тепломассопереноса» кафедры теплофизики и технической физики разработаны компьютерные лабораторные работы, которые отражают современные подходы к организации специального практикума.

Для детального исследования процесса горения нами используются методы численного моделирования, позволяющие решить задачи, усложненные большим количеством взаимосвязанных процессов и явлений, таких как турбулентность.

Поэтому компьютерное моделирование становится все более важным элементом исследования процессов горения и проектирования различных устройств, использующих процесс горения. Численное моделирование существенно преобразует также сам характер научных исследований, устанавливая новые формы взаимосвязи между экспериментальными и математическими методами. В науке и технике преимущества метода компьютерного моделирования очевидны: оптимизация проектирования, сокращение затрат на отработку, повышение качества продукции, уменьшение эксплуатационных расходов и т.д [2].

Виртуальный лабораторный практикум по дисциплине «Физика горения и взрыва» основан на комплексе компьютерной программы KIVA-II [2]. Каждая работа состоит из шести разделов и предназначена для студентов и магистрантов физико-технического факультета. Первый раздел посвящен краткому теоретическому введению, где дано описание процессов воспламенения и горения жидкого топлива и их особенности. «Основные уравнения», представленные во втором разделе, где математическая модель задачи о горении впрыска жидкого топлива включает в себя уравнение неразрывности для компонентов реакции горения, уравнение импульса, уравнение энергии, уравнения k-ε модели турбулентности [3]. Постановка задачи третьего раздела включает в себя описание камеры сгорания и последовательность действий. Жидкое топливо при некоторой начальной температуре впрыскивается в камеру сгорания через круглое сопло, расположенное в центре нижней части камеры. Камера сгорания (рис. 1) представляет собой цилиндр высотой H и радиусом r, заполненный воздухом при температуре T и при давлении P [4]. После впрыска происходит быстрое испарение топлива, пары топлива смешиваются с окислителем, и сгорание осуществляется в газовой фазе. Процесс горения жидкого топлива является быстро протекающим, и его длительность не превышает, в среднем, 4 мс. После впрыска происходит быстрое испарение топлива, пары топлива смешиваются с окислителем, и сгорание осуществляется в газовой фазе [2].

Рисунок 1 – Геометрия камеры сгорания.

Вычислительные эксперименты, описанные в разделе «Порядок выполнения работы», направлены на исследование влияния начальных условий на процессы воспламенения и горения впрыска жидких распыленных топлив, образования продуктов реакции в камере сгорания.

Следующие разделы, посвящены контрольным вопросам и литературе.

Ниже приведены примеры выполнения лабораторных работ бакалаврами и магистрантами.

Лабораторная работа № 1. Численное исследование влияния начальной температуры на воспламенение, горение впрыска жидкого топлива и концентрацию паров топлива в камере сгорания.

Цель работы: изучение влияния начальной температуры на пр оцессы воспламенения и горения жидкого топлива, а также на изменение концентрации паров топлива с помощью пакета компьютерных программ для численного расчета реагирующих течений с впрысками.

Лабораторная работа № 2. Численное исследование влияния начального радиуса впрыскиваемых капель на воспламенение впрыска жидкого топлива в камере сгорания.

Цель работы: изучение влияния начального радиуса впрыскиваемых капель на процесс воспламенения жидкого топлива в камере сгорания методами компьютерного моделирования.

Лабораторная работа № 3. Исследование влияния впрыскиваемой массы жидкого топлива на процесс горения в цилиндрической камере сгорания.

Цель работы: исследование горения жидкого топлива и выделения углекислого газа в зависимости от впрыскиваемой массы в камере сгорания при заданных начальных условиях и определение оптимального режима горения с помощью программы KIVA-II.

Лабораторная работа № 4. Численное исследование влияния скорости впрыска на процесс горения жидкого топлива в цилиндрической камере сгорания.

Цель работы: исследование процесса горения в зависимости от скорости впрыска жидкого топлива в камере сгорания при заданных начальных условиях в разные моменты времени и определение оптимального режима горения с помощью программы KIVA-II.

В раздел «Порядок выполнения работы» включены задания по определению времени воспламенения, получению в графическом виде для визуального восприятия с помощью программы Tecplot характеристик процесса горения, таких как температуры газа и частиц топлива, скорости частиц, концентрации компонентов реакции, а также характеристик образования продуктов реакции в камере сгорания. Для мониторинга студентам и магистрантам предлагается построить вышеупомянутые характеристики процессов воспламенения и горения в динамике с помощью программ Microsoft Excel, MathCAD и для лучшего понимания этих процессов в видео формате avi.

Литература:

1. Сполдинг Д.Б. Горение и массообмен. Пер. с англ. Р.Н. Гизатуллина и В.И. Ягодкина /Под ред. В.Е. Дорошенко. – М.: Машиностроение, 1985. - 240 с.

2. Amsden A.A., O'Rourke P.J., Butler T.D. KIVA-II: A computer program for chemically reactive flows with sprays, Los Alamos. 1989. - 160 с.

3. Аскарова А.С., Рыспаева М.Ж., Волошина И.Э. Численное моделирование горения и самовоспламенения двухфазных химически реагирующих течений с впрысками// Известия Томского политехнического университета. ‑ 2009.- Т.315.-№4. - С. 5-9

4. Аскарова А.С., Гороховски М.А., Рыспаева М.Ж., Волошина И.Э. Исследование образования продуктов реакции при сжигании впрыска жидких топлив// Материалы II Международного Конгресса студентов и молодых ученых «Мир Науки», Алматы, 2008. – С. 30.