Лекция 7. Горение гетерогенных (многофазных) смесей

Во многих практически применяемых устройствах используется горение жидких (иногда твердых) частиц, взвешенных в газе. Примеры: камеры сгорания дизелей, жидкостных ракетных двигателй, газотурбинных двигателей, разного рода топочные устройства и реакторы химических производситв. Процессы горения таких смесей (гетерогенное горение), пожалуй, более сложны, чем процессы при турбулентном горении перемешанных смесей, а управление такими процессами и их оптимизация требует углубленного исследования физики явлений в их взаимосвязи.

Основная сложность проявляется в том, что течение в этом случае становится как минимум, двухфазным и даже в предположении сплошных сред (не всегда оправданном!) приходится учитывать (помимо изученных ранее) процессы межфазных взаимодействий. Таким образом, изучение явлений в гетерогенных смесях с учетом исходной структуры потоков и реальных многомасштабных физических явлений в многофазных (гетерогенных) смесях связано с решением еще более сложных уравнений, чем те, которые применяются для описания движения реагирующих однофазных смесей. Детальное описание всех одновременно протекающих процессов зачастую весьма сложно и для получения полезных результатов здесь особенно необходима рациональная схематизация явлений.

Основные положения

Гетерогенные, смеси (или неоднородные, или многофазные смеси) -- это газовзвеси, аэрозоли, суспензии, эмульсии, жидкости с пузырьками газа, композитные материалы, насыщенные жидкостью и газом пористые тела (см. рис. 7.1).

Рис. 7.1. Гетерогенные (многофазные смеси): аэрозоли, газовзвеси, эмульсии, суспензии, пузырьковые среды, композитные материалы,

пористые тела и сыпучие материалы.

Из всех возможных видов гетерогенных смесей наиболее подробно изучено поведение т. наз. дисперсных смесей, которые состоят из двух фаз, одна из которых – капли, пузырьки и т. п. частицы, достаточно многочисленные и мелкие по сравнению с характерными масштабами задачи; это важное свойство дисперсных смесей позволяет при их описании пользоваться приближением сплошной среды. Капли, пузырьки и мелкие частицы в дисперсной смеси называют дисперной фазой, а окружающую среду – жидкость или газ – несущей фазой.

[В силу специфики ДВС] в этой лекции подробно будут рассматриваться явления, характерные для аэрозолей – смесей со взвешенными в газе капельками жидкого топлива. При описании процессов в аэрозолях всегда будем использовать два основных допущения:

1. Размеры фазовых неоднородностей (диаметры капель) во много раз превышают молекулярно-кинетические расстояния (расстояния между молекулами, длина их свободного пробега).

2. Размеры неоднородностей во много раз меньше расстояний, на которых заметно меняются осредненные (или макроскопические) параметры смеси или фазы.

Первое допущение позволяет использовать классические построения МСС, для описания процессов, происходящих в окрестностях или внутри самих структурных неоднородностей, использовать параметры и свойства веществ, полученные для однофазного сосотояния (см. рис. 7.2).

Второе допущение позволяет рассматривать двухфазную среду как сплошную среду, состоящую из двух взаимопроникающих и взаимодействвующих сполошных сред, во всем диапазоне рассматриваемых масштабов. Это означает справедливость оперирования полями осредненных параметров фаз и использования для описания теений законами сохранения привычного вида.

Рис. 7.2. Окрестность жидкой частицы: частица дисперсной фазы (капля)

окруженная несущей фазой, граница раздела фаз, межфазное взаимодействие.

В дальнейшем будут выведены основные уравнения движения дисперсных смесей, затемпоказаны некоторые феноменологические модели межфазных взаимодействий -- процесс испарения капли, рассматриваемый с теми или иными допущениями..

Уравнения механики сплошных гетерогенных сред

бла-бла-бла

Модели межфазных взаимодействий

бла-бла-бла

Феноменологическая модель испарения одиночной капли

бла-бла-бла

Сгорание капли горючего в атмосфере окислителя

бла-бла-бла

Гетерогенные ламинарные пламена

бла-бла-бла