Математическое моделирование нестационарного горения энергетических материалов с испарением на поверхности

Министерство образования и науки РФ

Новосибирский государственный технический университет

Кафедра газодинамических импульсных устройств

Лабораторная работа №2:

Математическое моделирование нестационарного горения энергетических материалов с испарением на поверхности

Факультет: ЛА

Работу выполнил(а): Студент гр. МА-91 Рыбин Д.К.

Работу принял(а): Авсейко Е.О.

Новосибирск 2011

Порядок выполнения работы: Требуется исследовать зависимость одного из описанных выше эффектов (многостадийность зажигания, существование пределов для стационарной газификации) от одного из параметров модели ( например, от давления, начальной температуры, какого либо теплофизического или кинетического параметра). Исследуемый эффект и изменяемый параметр задаёт преподаватель.

Задание №1. Получить зависимость времени начала перехода ко второй стадии зажигания ts2  и времени начала перехода к третьей стадии зажигания ts3 от параметров газовой фазы ng1, ng2, Ng1, Ng2, Eg1, Eg2, Qg1, Qg2, Dcp, Lamcr (можно взять любой из параметров, или исследовать процесс , взяв абсолютно все параметры)

Для того чтобы получить необходимые зависимости проверим возможность «досрочного» создания полного газового пламени импульсом тепла от «зажигалки» мощностью qz=1e3 и длительностью 0,05:

Открываем inp44, меняем необходимые параметры, получаем следующие графики зависимости(см. рис. 1):

Сообщим некоторый импульс тепла qz=1e3, для проверки возможности создания зажигалки.

Рис.1. Проверка создания досрочного газового пламеня от «зажигалки»

Как видно из графиков при qz=1e3 не удаётся создать досрочное газовое пламя, ввиду слабой мощности самой «зажигалки».

Попробуем создать эффект поджигания, путём изменения какого либо параметра. Изменим давление, при котором происходит данный процесс P(t).

Известно что повышение давления влечёт за собой увеличение скорости волны горения. Возможно начальный тепловой импульс при более высоком давлении сможет создать эффект ажигалки.

Исходное давление в интервале от t1 до t2 было равно 0.1 МПа. Меняем давление на большее значение, например 1.0 МПа. Запускаем программу.

Возникшие проблемы: При задании данного давления в 1.0 МПа происходит вылет программы. Анализировать точно в данном случае невозможно. Скорее всего, на поверхности горения не получилось создать газового пламени – процесс перешёл в тепловой взрыв.

Примем давление p=0.1(как при первом опыте). Попробуем изменить параметр Qg для газовой фазы по отношению к горючему газу. Примем Qg2=5000. Зафиксируем полученные результаты на графике.

При увеличении параметра Qg=5000 н верхнем графике можно пронаблюдать более ярко выраженный скачок скорости горения в 1-й стадии горения. Мольные доли реагирующих веществ Yg1 и Yg2 приняли меньшее значения, а температура T повысилась с ~3800 до 5000К. К сожалению пронаблюдать конечную температуру сгорания в начальный момент времени невозможно.(были неправильно выставлены пределы отображения).

Далее вернём параметру Qg2 прежнее значение и на этот раз изменим параметр Qg1. Придадим ему значение равное 6000К.

Результаты представлены ниже.

При данном опыте можно пронаблюдать резкий скачок величины теплового потока. Это напрямую связано с заданием теплового потока для водяного пара равного 6000К.

Параметру Qg1 вернём его истинное значение 3000К.  Поменяем коэффициент поглощения газовой фазой. Alphag для водяного пара с 0 на 1.

Получаем абсолютно идентичные графики по сравнению с первым начальным. Отображать ниже данный график нету смысла.

Далее применим метод комплексного изменения параметров для создания «зажигалки» :

Qg1=4000

Qg2=4000

P=0.01

Qz=2e3

Ниже представлен график:

На данном графике можно пронаблюдать следующую картину.

Даже не смотря на то что мы задали более мощный импульс qz=2e3, но снизили давление, процесс получился одностадийным, но никак не  двустадийным. Мы получили «потушилку». Т.е. сообщив импульс, в ЭМ прошла первая стадия горения, после которой должна была начаться третья стадия. Но из «нулевой» области кривая скорости волны горения вместе тепловым потоком так и не вышла.

Двигаемся дальше.

Оставим величину qz равной 2е3. Всем остальные параметры такие как Qg1=4000, Qg2=4000, P=0.01, вернём исходное значение.

Изменим параметр q(t): q(t)[KW/m^2]= {9000 9000 9000  0.005  0 0.012   0 10}

Результат представлен ниже:

Изменив тепловой поток, идущий от полураспавшихся продуктов сгорания, мы тем самым увеличили скорость волны горения. На верхнем графике кривая скорости горения даёт понять, что происходит некоторый резкий скачок (кратковременный) и далее процесс горения начинает продолжаться в обычном режиме. Но как только он доходит до перехода на третью стадию, происходит ещё один резкий скачок скорости горения, но при этом программа «вылетает». Поэтому можно предположить что произошёл тепловой взрыв. Возможно, ЭМ в моменты вспышек получал большое количество тепла. Начальный импульс от зажигалки подпортил нормальные условия, повысив температуру. В итоге когда горячие газы дошли до твёрдой фазы, произошёл тепловой взрыв.

Изменим параметр Eps/k[K][1:3]=  5.3600e+002   3.500e+002   3.5000e+002

Результат:

На верхнем графике можно пронаблюдать так называемое «мигание».

В данном случае наблюдается неустойчивость процесса при переходе со второй фазы на третью. Она объясняется разупорядоченностью пульсаций теплового потока, передающегося от полупродуктов на поверхность непрогретого слоя.

Вернём величинам исходное положение. Рассмотрим изменение предэкспонента Аррениуса (Ас) в конденсированной фазе.:

Ac[1:2]=  3.5e10 0 – исходное значение предэкспонента.

Ac[1:2]=  3.5e12    3.5е12 – исследуемое значение.

График представлен ниже:

Сравнивая исходный график с начальным графиком приходим к выводу, что изменение предэкспонента Аррениуса ни к чему не привело.

Рассмотрим случай изменения давления P(t).

На данном графике можно пронаблюдать следующую картину:

Если повысить давление с 0.1 МПа до 0.3 Мпа то происходит колебательный переход со 2-й на третью фазу. Так же температура Ts(район перехода из конденсированной в газообразное) не выходит на стационарный режим, а совершает автоколебания до полного окончания цикла. Вместе с температурой можно наблюдать колебания скорости горения волны.(чуть видные колебания внизу верхнего графика).

Продолжаем повышать давление до P(t)[MPa]= {0.3   0.0000e+0000.3  10}

На этом поиски эффекта «зажигалки» окончены.

Стоит сказать что самым близким к результату по моему мнению был опыт с изменением параметра теплового потока от газовой фазы.

Задание №2.

Выберем один из параметров для изменения. Пусть это будет Ng2=1.0000e000. Будем изменять этот параметр в исходном файле, с определённым шагом. Шаг в данной задаче определяется эмпирически.

Снимем показания ts1, ts2, ts3 для шести опытов, найдём разность.

1)  Ng2=41

Начало первой фазы.

Начало второй фазы

Начало третьей стадии горения.