Методологические аспекты разработки математических моделей горения частиц металлов в воздухе

А.В. Воронецкий, В.И. Крылов, К.Ю. Арефьев, А.А. Гусев

Инженерный журнал: наука и инновации

# 1·2017

позволяет существенно снизить затрачиваемые ресурсы аппаратного

времени для расчетов.

Результаты математического моделирования.

Для апробиро-

вания предложенной математической модели и сравнения получен-

ных данных с экспериментом проведена серия расчетов скорости

распространения фронта пламени в газовзвеси частиц алюминия при

коэффициентах избытка воздуха α = 0,15…0,4.

Одним из критериев распространения фронта пламени в газо-

взвеси является изменение температуры частиц алюминия

по вы-

соте. Результаты математического моделирования распространения

фронта пламени представлены на рис. 3, 4. Данные приведены с ша-

гом по времени ∆

= 0,05 с при α = 0,14, начальном диаметре частиц

= 19,5 мкм. На рис. 3 красными точками обозначены воспламе-

нившиеся частицы, температура фронта пламени которых близка к

температуре горения алюминия (около 3600 К). В процессе горения

ПМГ реализуется прогрев газовой фазы близи воспламенившихся ча-

стиц и прогрев невоспламенившихся частиц, расположенных выше

по рабочему участку. Прогрев частиц осуществляется посредством

конвективного, лучистого тепловых потоков и тепловыделения в ре-

зультате поверхностной химической реакции. Расчеты показали, что

значения конвективного и лучистого тепловых потоков могут иметь

один порядок, при этом конвективный тепловой поток к частице мо-

жет принимать как положительное, так и отрицательное значение. До

момента достижения частицей температуры воспламенения ее нагрев

осуществляется за счет лучистого теплового потока, конвективный

тепловой поток при этом отрицательный, так как температура газа,

окружающего частицу, меньше температуры частицы. При больших

значениях теплопроводности газа конвективный тепловой поток мо-

жет быть и положительным. В таком случае частица нагревается как

за счет излучения, так и за счет конвекции. Тепловой поток, обуслов-

ленный протеканием гетерогенной химической реакции частицы, яв-

ляется положительным. После достижения температуры

вос

частицы

воспламеняются и фронт пламени распространяется вверх по рабо-

чему участку. При этом в рассматриваемой постановке задачи (при

отсутствии тепловых потерь в стенки рабочего участка) фронт пла-

мени имеет практически плоскую форму.

Анализ полученных данных позволил выявить следующий эф-

фект: по мере прохождения фронта пламени по газовзвеси частиц,

скорость его распространения снижается на 30…40 %. Повышенные

значения скорости перемещения фронта пламени в начальный момент

обусловлены, по нашему мнению, влиянием узла воспламенения.