|
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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
|
| |