1. Общая формулировка научной проблемы и ее актуальность.
Фильтрационное горение жидких монотоплив. Процессы фильтрационного горения газов (ФГГ) вызывают повышенный интерес исследователей в связи с разнообразными техническими приложениями. Особую привлекательность этому классу процессов горения придает реализующийся в них процесс внутренней рекуперации тепла, который позволяет экономично сжигать газовые топлива. Тепловая инерционность твердой фазы обуславливает повышенную устойчивость процесса ФГГ по сравнению с традиционными горелками, а зависимости характеристик горения от параметров твердой фазы и скорости фильтрации при ФГГ обеспечивают удобство управления процессом горения.
Большинство промышленно используемых топлив при нормальных условиях – жидкие. Поэтому представляют интерес попытки сжигания жидкостей в фильтрационном процессе. Сложность организации такого процесса состоит в необходимости подвода к жидкому топливу газообразного окислителя. Однако эта проблема снимается, если жидкость способна гореть без доступа воздуха. Таким свойством обладают монотоплива, типичным представителем которых является гидразин (N2H4), способный разлагаться с выделением тепла, достаточного для поддержания горения. Процесс фильтрационного горения гидразина был осуществлен несколько лет назад. Полученные экспериментальные закономерности не получили удовлетворительного объяснения из-за отсутствия адекватной физико-математической модели процесса. Целью настоящей работы является разработка физико-математической модели фильтрационного горения жидких монотоплив и анализ на ее основе закономерностей фильтрационного горения гидразина.2. Конкретная решаемая в работе задача и ее значение.
Анализ режимов и предельных явлений при фильтрационном горении жидких монотоплив. В рамках разработанной в работе модели анализируются возможные режимы фильтрационного горения жидкости (ФГЖ), параметрические области их существования, доминирующие механизмы горения, определяющие параметры и параметрические зависимости скорости и пределов горения.
3. Используемые подходы, новизна и оригинальность.
Экспериментальные закономерности ФГЖ схожи с закономерностями фильтрационного горения газа в режиме низких скоростей (РНС), который реализуется при сильном тепловом взаимодействии между газом и пористой средой. Среди таких общих закономерностей - существование спутных и встречных волн горения, возможность нагрева пористой среды в волне до суб- и сверхадиабатических температур, U-образная зависимость скорости волны от скорости фильтрации, одинаковый порядок величины скорости горения. Эти аналогии позволили предположить, что определяющей стадией ФГЖ является фильтрационное горение паров жидкости, которое протекает по механизму РНС. Это предположение положено в основу предложенной математической модели, допускающей аналитическое решение. Волна ФГЖ рассматривается как две сопряженные волны, одна из которых распространяется по системе твердая фаза-газ (волна ФГГ), а вторая – в системе твердая фаза-жидкость.
4. Полученные результаты и их значимость.
- Разработана двухтемпературная неадиабатическая модель фильтрационного горения жидкого монотоплива. Модель использована для анализа фильтрационного горения гидразина в узких трубках. Расчеты показали, что горение жидкого монотоплива, движущегося в трубке, может происходить в двух режимах. В режиме I доминирующим механизмом передачи тепла от продуктов сгорания в предпламенную зону является теплопроводность по газу, а в режиме II – теплопроводность по трубке.
- В рамках модели проанализированы пределы ФГЖ в адиабатическом и неадиабатическом случаях. Показано, что в режиме I существует нижний адиабатический предел по скорости фильтрации, а в режиме II – нижний и верхний.
- Анализ изменения характеристик горения при приближении к пределам позволил предположить, что нижние пределы режимов I и II имеют тепловую природу. В режиме I нижний предел обусловлен теплопотерями от пламени в стенку трубки. В режиме II наиболее вероятной причиной нижнего предела является снижение скорости испарения жидкости при уменьшении скорости фильтрации. Верхний предел режима II предположительно обусловлен отрывом пламени от тепловой волны в стенке трубки, что приводит к распаду волны ФГЖ. Об этом свидетельствует изменение структуры волны ФГЖ и увеличение скорости выгорания при приближении к верхнему пределу.
- Установлено, что режим II очень чувствителен к внешним теплопотерям и экспериментально может проявляться только в хорошо теплоизолированных трубках.
- Показано, что измеренные величины скорости и пределов горения гидразина в кварцевых трубках разной толщины и диаметра хорошо согласуются с результатами расчетов для режима I.
Фундаментальное значение: данный цикл работ дает теоретическое обоснование нового раздела фильтрационного горения – фильтрационного горения жидкости. В частности, впервые рассмотрен вопрос о режимах горения жидкости, движущейся в узкой трубке или пористой среде и их пределах.
Прикладное значение: данная работа позволяет прогнозировать закономерности и характеристики горения жидких монотоплив в узких трубках и пористых средах.5. Уровень полученных результатов в сравнении с мировым.
Работы поддерживались грантами:
INTAS -96-1173, РФФИ 99-03-32309, РФФИ 00-03-32417, РФФИ 07-08-00123.
Результаты работ докладывались на международных и российских научных конференциях:
- 16 Intern. Symp. on combustion processes.Kazimierz Dolny, 1999.
- Intern. Symp. Actual problems of physical hydroaerodynamics, Novosibirsk, 1999.
- Modern problems of combustion and its applications. 3 Intern School-Seminar. Minsk, 1999.
- Modern problems of combustion and its applications. 4 Intern School-Seminar. Minsk, 2001.
- The 17th Intern. Symp. on Transport Phenomena. 4-8 September, 2006, Tayama Intern. Conference Senter, Tayama, Japan.
Список прилагаемых статей.
- Какуткина Н. А., Режимы фильтрационного горения жидких монотоплив,Физика горения и взрыва. Т. 44. № 4, С. 21-30. 2008.
- Какуткина Н.А., Предельные явления при фильтрационном горении жидких монотоплив. Физика горения и взрыва,Т. 45. № 2, С. 29-39. 2009.