Теоретичне дослідження стійкості горіння твердого палива з двофазною зоною газифікації

Автор(и)

  • Viktor Volkov Одеський національний університет ім. І. І. Мечникова вул. Дворянська, 2, м. Одеса, Україна, 65082, Україна https://orcid.org/0000-0002-3990-8126
  • Natalia Makoyed Одеська національна академія харчових технологій вул. Канатна, 112, м. Одеса, Україна, 65039, Україна https://orcid.org/0000-0002-4591-555X
  • Yuliia Loboda Одеська національна академія харчових технологій вул. Канатна, 112, м. Одеса, Україна, 65039, Україна https://orcid.org/0000-0001-7083-552X
  • Oksana Sokolova Одеська національна академія харчових технологій вул. Канатна, 112, м. Одеса, Україна, 65039, Україна https://orcid.org/0000-0002-8227-6814

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.208440

Ключові слова:

горіння твердого палива, газифікація палива, нестійкість горіння, дефлаграційний вибух, детонація

Анотація

Теоретично досліджено стійкість горіння твердого палива, що в процесі спалювання розкладається за схемою «тверда фаза – рідка фаза – газ». Побудовано фізичну та математичну моделі процесу розповсюдження малих збурень при горінні. Середовище в усіх областях горіння і в продуктах згоряння вважається нестисливим, враховується в'язкість палива в його рідкій фазі. При цьому розглянуто збурення гідродинамічних параметрів не тільки в двофазній зоні газифікації, але й в області продуктів згоряння, а також є заданим геометричне збурення фронту миттєвого згоряння (полум'я), яке викривляє форму його поверхні, що є характерною особливістю представленої в дослідженні фізичної моделі. Поставлено і розв'язано математичну задачу на власні значення, яку зведено до алгебраїчного характеристичного рівняння відносно безрозмірного комплексного власного числа, додатність дійсної частини якого визначає нестійкість. Доведено, що в граничному випадку відсутності рідкої фази має місце абсолютна нестійкість. В іншому граничному випадку – для збурень з нескінченною довжиною хвилі – спостерігається перехід до стійкості. Останній факт свідчить про те, що наявність в'язкої рідинної плівки і змінність протяжності зони газифікації під впливом збурень значно впливають на горіння твердого палива, суттєво стабілізуючи цей процес. У загальному випадку аналітично визначено достатню умову нестійкості коренів характеристичного рівняння. Фізична інтерпретація математичних результатів дає можливість пояснити процеси автотурбулізаціі горіння твердого палива і можливий перехід горіння в дефлаграційний вибух або в детонацію. Результати дослідження на якісному рівні відповідають експериментальним даним і додатково можуть бути використані для теоретичного аналізу стійкості процесу горіння рідкого палива в камері згоряння

Біографії авторів

Viktor Volkov, Одеський національний університет ім. І. І. Мечникова вул. Дворянська, 2, м. Одеса, Україна, 65082

Доктор технічних наук, професор

Кафедра теоретичної механіки

Natalia Makoyed, Одеська національна академія харчових технологій вул. Канатна, 112, м. Одеса, Україна, 65039

Кандидат педагогічних наук, доцент

Кафедра інформаційних технологій та кібербезпеки

Yuliia Loboda, Одеська національна академія харчових технологій вул. Канатна, 112, м. Одеса, Україна, 65039

Кандидат педагогічних наук, доцент

Кафедра інформаційних технологій та кібербезпеки

Oksana Sokolova, Одеська національна академія харчових технологій вул. Канатна, 112, м. Одеса, Україна, 65039

Старший викладач

Кафедра інформаційних технологій та кібербезпеки

Посилання

  1. Clavin, P., Searby, G. (2016). Combustion Waves and Fronts in Flows: Flames, Shocks, Detonations, Ablation Fronts and Explosion of Stars. Cambridge University Press. doi: https://doi.org/10.1017/cbo9781316162453
  2. Liberman, M. (2008). Introduction to Physics and Chemistry of Combustion. Springer. doi: https://doi.org/10.1007/978-3-540-78759-4
  3. Swinney, H. L., Gollub, J. P. (Eds.) (2014). Hydrodynamic Instabilities and the Transition to Turbulence. Springer. doi: https://doi.org/10.1007/3-540-13319-4
  4. Bradley, D., Cresswell, T. M., Puttock, J. S. (2001). Flame acceleration due to flame-induced instabilities in large-scale explosions. Combustion and Flame, 124 (4), 551–559. doi: https://doi.org/10.1016/s0010-2180(00)00208-x
  5. Ciccarelli, G., Dorofeev, S. (2008). Flame acceleration and transition to detonation in ducts. Progress in Energy and Combustion Science, 34 (4), 499–550. doi: https://doi.org/10.1016/j.pecs.2007.11.002
  6. Khokhlov, A., Oran, E., Thomas, G. (1999). Numerical simulation of deflagration-to-detonation transition: the role of shock–flame interactions in turbulent flames. Combustion and Flame, 117 (1-2), 323–339. doi: https://doi.org/10.1016/s0010-2180(98)00076-5
  7. Oran, E. S., Gamezo, V. N. (2007). Origins of the deflagration-to-detonation transition in gas-phase combustion. Combustion and Flame, 148 (1-2), 4–47. doi: https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2006.07.010
  8. Koksharov, A., Bykov, V., Kagan, L., Sivashinsky, G. (2018). Deflagration-to-detonation transition in an unconfined space. Combustion and Flame, 195, 163–169. doi: https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2018.03.006
  9. Volkov, V. E. (2014). Deflagration-to-detonation transition and the detonation induction distance estimation. Odes’kyi Politechnichnyi Universytet. Pratsi, 1, 120–126. doi: https://doi.org/10.15276/opu.1.43.2014.21
  10. Pekalski, A. A., Zevenbergen, J. F., Lemkowitz, S. M., Pasman, H. J. (2005). A Review of Explosion Prevention and Protection Systems Suitable as Ultimate Layer of Protection in Chemical Process Installations. Process Safety and Environmental Protection, 83 (1), 1–17. doi: https://doi.org/10.1205/psep.04023
  11. Nolan, D. P. (2011). Handbook of Fire and Explosion Protection Engineering Principles: for Oil, Gas, Chemical and Related Facilities. William Andrew, 340. doi: https://doi.org/10.1016/c2009-0-64221-5
  12. Nettleton, M. A. (1987). Gaseous detonations: Their nature, effects and control. Springer. doi: https://doi.org/10.1007/978-94-009-3149-7
  13. Buckmaster, J. (1993). The Structure and Stability of Laminar Flames. Annual Review of Fluid Mechanics, 25 (1), 21–53. doi: https://doi.org/10.1146/annurev.fl.25.010193.000321
  14. Peters, N. (2000). Turbulent Combustion. Cambridge University Press. doi: https://doi.org/10.1017/cbo9780511612701
  15. Veynante, D., Vervisch, L. (2002). Turbulent combustion modeling. Progress in Energy and Combustion Science, 28 (3), 193–266. doi: https://doi.org/10.1016/s0360-1285(01)00017-x
  16. Giusti, A., Mastorakos, E. (2019). Turbulent Combustion Modelling and Experiments: Recent Trends and Developments. Flow, Turbulence and Combustion, 103 (4), 847–869. doi: https://doi.org/10.1007/s10494-019-00072-6
  17. Greatrix, D. (2012). Powered Flight: The Engineering of Aerospace Propulsion. Springer. doi: https://doi.org/10.1007/978-1-4471-2485-6
  18. Crocco, L., Cheng, S.-I. (1956). Theory of Combustion Instability in Liquid Propellant Rocket Motors. Butterworths Scientific Publications, 200.
  19. Shchelkin, K. I., Troshin, Ya. K. (1964). Gasdynamics of combustion. National Aeronautics and Space Administration, 365.
  20. Marshakov, V. N., Istratov, A. G., Puchkov, V. M. (2003). Combustion-front non-one-dimensionality in single- and double-base propellants. Combustion, Explosion, and Shock Waves, 39, 452–457. doi: https://doi.org/10.1023/A:1024791006499
  21. Marshakov, V. N., Istratov, A. G. (2007). Critical diameter and transverse waves of powder combustion. Combustion, Explosion, and Shock Waves, 43 (2), 188–193. doi: https://doi.org/10.1007/s10573-007-0025-2
  22. Timnat, Y. M. (1987). Advanced Chemical Rocket Propulsion. Academic Press, 286.
  23. Gusachenko, L. K., Zarko, V. E. (2005). Combustion models for energetic materials with completely gaseous reaction products. Combustion, Explosion, and Shock Waves, 41 (1), 20–34. doi: https://doi.org/10.1007/s10573-005-0003-5
  24. Sabdenov, K. O. (2016). Generation of hydrodynamic instability in the gasification region of propellant. Combustion, Explosion, and Shock Waves, 52 (6), 683–693. doi: https://doi.org/10.1134/s0010508216060083
  25. Vilyunov, V. N., Dvoryashin, A. A. (1973). An experimental investigation of the erosive burning effect. Combustion, Explosion, and Shock Waves, 7 (1), 38–42. doi: https://doi.org/10.1007/bf00748911
  26. Gusachenko, L. K., Zarko, V. E. (2007). Erosive burning. Modeling problems. Combustion, Explosion, and Shock Waves, 43 (3), 286–296. doi: https://doi.org/10.1007/s10573-007-0042-1
  27. Sabdenov, K. O., Erzada, M. (2016). Negative erosion effect and the emergence of unstable combustion. 1. Analysis of the models. Combustion, Explosion, and Shock Waves, 52 (1), 67–73. doi: https://doi.org/10.1134/s0010508216010093
  28. Sabdenov, K. O., Erzada, M. (2016). Negative erosion effect and the emergence of unstable combustion. 2. numerical simulation. Combustion, Explosion, and Shock Waves, 52 (2), 193–202. doi: https://doi.org/10.1134/s001050821602009x
  29. On the theory of slow combustion (1965). Collected Papers of L.D. Landau, 396–403. doi: https://doi.org/10.1016/b978-0-08-010586-4.50059-6
  30. Aslanov, S. K., Volkov, V. E. (1991). Integral method for study of hydrodynamic stability of a laminar flame. Combustion, Explosion, and Shock Waves, 27 (5), 553–558. doi: https://doi.org/10.1007/bf00784941
  31. Volkov, V. E. (2015). One-dimensional flame instability and control of burning in fire-chamber. Odes’kyi Politechnichnyi Universytet. Pratsi, 1, 85–91. doi: https://doi.org/10.15276/opu.1.45.2015.14
  32. Kuo, K. K., Acharya, R. (2012). Fundamentals of Turbulent and Multiphase Combustion. John Wiley & Sons, Inc. doi: https://doi.org/10.1002/9781118107683
  33. Xiao, H. (2016). Experimental and Numerical Study of Dynamics of Premixed Hydrogen-Air Flames Propagating in Ducts. Springer. doi: https://doi.org/10.1007/978-3-662-48379-4
  34. Yoon, S. H., Noh, T. J., Fujita, O. (2017). Effects of Lewis number on generation of primary acoustic instability in downward-propagating flames. Proceedings of the Combustion Institute, 36 (1), 1603–1611. doi: https://doi.org/10.1016/j.proci.2016.09.013
  35. Yoon, S. H., Hu, L., Fujita, O. (2018). Experimental observation of pulsating instability under acoustic field in downward-propagating flames at large Lewis number. Combustion and Flame, 188, 1–4. doi: https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2017.09.026
  36. Dubey, A. K., Koyama, Y., Hashimoto, N., Fujita, O. (2019). Effect of geometrical parameters on thermo-acoustic instability of downward propagating flames in tubes. Proceedings of the Combustion Institute, 37 (2), 1869–1877. doi: https://doi.org/10.1016/j.proci.2018.06.155
  37. Volkov, V. E. (2014). Mathematical simulation of laminar-turbulent transition and the turbulence scale estimation. Odes’kyi Politechnichnyi Universytet. Pratsi, 2, 155–159. doi: https://doi.org/10.15276/opu.2.44.2014.27
  38. Volkov, V. E. (2016). Two-dimensional flame instability and control of burning in the half-open firechamber. Automation of Technological and Business Processes, 8 (1), 21–27. doi: https://doi.org/10.21691/atbp.v8i1.18

##submission.downloads##

Опубліковано

2020-08-31

Як цитувати

Volkov, V., Makoyed, N., Loboda, Y., & Sokolova, O. (2020). Теоретичне дослідження стійкості горіння твердого палива з двофазною зоною газифікації. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 4(8 (106), 54–65. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.208440

Номер

Том 4 № 8 (106) (2020): Енергозберігаючі технології та обладнання

Розділ

Енергозберігаючі технології та обладнання

Ліцензія

Авторське право (c) 2020 Viktor Volkov, Natalia Makoyed, Yuliia Loboda, Oksana Sokolova

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.