Конкурс научных работ 2014 года

Газодинамические и тепловые возмущения,
вносимые в пламя термопарой и зондом,
при измерениях температуры
и концентраций компонентов во фронте пламени

O.П. Коробейничев, A.Г. Терещенко, Д.A. Князьков, А.Г. Шмаков,
A.A. Палецкий, П.A. Сковородко^*
*Институт теплофизики СО РАН, Новосибирск, Россия

1. Общая формулировка научной проблемы и ее актуальность.

Молекулярно-пучковая масс-спектрометрия (МПМС) и термопарный метод являются основными инструментами изучения тепловой и химической структуры пламен, которая в свою очередь является главным источником информации о механизмах горения различных топлив. Пламя предварительно перемешанной горючей смеси, стабилизированное на плоской пористой (или перфорированной) металлической матрице (на плоской горелке) – это наиболее удобный объект для изучения химии горения указанными выше методиками, поскольку оно имеет одномерную структуру, которую можно без существенных затрат численно рассчитать с использованием предполагаемых детальных механизмов химических реакций, тем самым провести их валидацию и получить сведения о достоверности используемых в них констант скорости многих элементарных реакций. Таким образом, корректное измерение профилей температуры и концентраций веществ в плоских пламенах является важной научной задачей. Однако до сих пор достоверно не установлено, насколько точно соответствуют эти измерения истинному распределению температуры и концентраций веществ в пламени, поскольку пробоотборный кварцевый зонд и термопара вносят возмущения в структуру течения реагирующих газов. Предложенным и много лет используемым в нашей лаборатории полуэмпирическим подходом для поправки профилей концентрации веществ на газодинамические зондовые возмущения является их сдвиг по направлению к горелке, однако детального обоснования применения этого подхода до сих пор не было предложено. Таким образом, несмотря на актуальность проблемы зондовых и термопарных возмущений пламени, на момент опубликования данного цикла работ детальных исследований этого вопроса не проводилось.

2. Конкретная решаемая в работе задача и ее значение.

Данный цикл работ направлен на решение двух основных задач: (1) Обосновать применимость подхода по учету зондовых возмущений (см. выше) при отборе пробы из пламени, стабилизированного на плоской горелке, с применением численного моделирования структуры течения вблизи зонда в пламени. Это позволит обосновать корректность получаемых экспериментальных данных методом МПМС. (2) Определить погрешности термопарных измерений температуры во фронте плоского пламени, связанные с возмущениями газодинамической структуры течения реагирующего потока. Это имеет большое значение для определения поправок к измеряемым величинам температуры, что необходимо для обеспечения высокой точности измерения температурных профилей пламен. Обе этих задачи имеют важнейшее значение для исследований химии горения и точного определения констант скоростей элементарных реакций в пламенах.

3. Используемый подход, его новизна и оригинальность.

В качестве модельного объекта для исследования выбрано ранее хорошо изученное пламя метана, стабилизированное на плоской горелке. Методом МПМС и термопарным методом измерены, соответственно, профили концентраций основных компонентов и температуры в пламени. Для этого пламени имеется достоверный детальный механизм химических реакций, использование которого позволило с хорошей точностью рассчитать невозмущённый температурный профиль и профили концентрации основных компонентов пламени. В данной работе проводились численные расчеты течения газа вблизи пробоотборного зонда и вблизи термопар различной формы в рамках полной системы нестационарных уравнений Навье – Стокса. Этот подход впервые позволил решить 3-х мерную задачу моделирования структуры течения вблизи зонда и термопары с учётом вязкости газа, тогда как ранее проводилось решение только в приближённой постановке для невязкого газа. Оригинальностью данного подхода является то, что для вычисления профилей температуры и концентраций веществ вместо детального механизма реакций используются источники выделения тепла и вещества, моделирующие реальное пламя. Это позволило значительно сократить время счета.

4. Полученные результаты и их значимость.

Установлено хорошее качественное согласие рассчитанного возмущенного профиля температуры с измеренным термопарой вблизи пробоотборника. Также установлено хорошее качественное согласие рассчитанных возмущенных профилей воды и метана с измеренными. Полученные результаты дали представление о характере возмущающих факторов, вносимых в пламя зондом. Полученное согласие результатов моделирования и экспериментов указало на состоятельность предложенной модели, а также подтвердило качественно применимость подхода по смещению экспериментальных профилей по направлению к горелке для учета вклада зондовых возмущений. Установлено, что термопара своим присутствием меняет поле течения газа, в результате чего произведённые с её помощью измерения температуры соответствуют не исходному невозмущённому пламени, а некоторому искажённому в окрестности термопары газовому потоку. Наличие термопары тормозит поток реагирующих газов в пламени, в результате чего в области температурного градиента, вследствие химических реакций, увеличивается тепловыделение в окрестности термопары, что приводит к локальному повышению температуры относительно температуры в невозмущенном пламени. Регистрируемое увеличение температуры зависит от ширины термопары, интенсивности тепловыделения и массовой скорости горения. Таким образом, все термопарные измерения во фронте пламён газовых и особенно конденсированных систем, следует интерпретировать с учётом обнаруженных в данной работе эффектов.

5. Уровень полученных результатов в сравнении с мировым.

Проведенная работа определила мировой уровень исследований в этой области. Значимость данного цикла работ состоит в том, что они инициировали в научной общественности ряд последующих работ, в которых 3-мерное моделирование структуры течения было проведено с применением детальных механизмов реакций, что позволило получить хорошее не только качественное, но и количественное согласие с экспериментом.

6. Вклад авторского коллектива.

Вклад авторского коллектива ИХКГ в данной работе является определяющим, так как постановка задачи, получение всех экспериментальных данных, основные доклады по работе и основной вклад в написание статей был сделан членами авторского коллектива из лаборатории КПГ. Моделирование проведено П.А.Сковородко, в.н.с. ИТ СО РАН.

Список публикаций.

1. Терещенко А.Г., Князьков Д.А., Сковородко П.А., Палецкий А.А., Коробейничев О.П., Возмущения структуры пламени вызываемые термопарой. 1. Эксперимент. Физика горения и взрыва, 2011, т.47, № 4. стр. 34-45.
2. Сковородко П.А., Терещенко А.Г., Палецкий А.А., Князьков Д.А., Коробейничев О.П., Возмущения структуры пламени вызываемые термопарой. II. Моделирование. Физика горения и взрыва, 2011, т.47, № 4. стр. 46-59.
3. P.A. Skovorodko, A.G. Tereshchenko, D.A. Knyazkov, A.A. Paletsky, O.P. Korobeinichev, Experimental and Numerical Study of Thermocouple-Induced Perturbations of the Methane Flame Structure, Combustion and Flame 159 (2012) №3, рр. 1009–1015.
4. P.A. Skovorodko, A.G. Tereshchenko, O.P. Korobeinichev, D.A. Knyazkov, A.G. Shmakov, Experimental and numerical study of probe-induced perturbations of the flame structure , Combustion Theory and Modelling, 2012.