Специально для ДВСников / 1

Лекция 1. Введение

Определение горения как объекта изучения

Классическое определение термина «горение»: химический процесс соединения горючего и окислителя, сопровождающийся интенсивным тепловыделением и свечением [1].

Виды горения в природе и технике чрезвычайно многообразны. Принято делить их в сответствии с фазовым состоянием исходных компонентов на три группы:

• гомогенное горение (все участвующие компоненты находятся в газовой фазе)

• гетерогенное горение (часть исходных компонентов находится в конденсированном – жидком или газообразном – состоянии, остальные – в газовой фазе)

• горение, при котором все исходные компоненты находятся в конденсированном состоянии (пример: взрывчатые в-ва)

  Объектом изучения в данном курсе, предназначенном для студентов направления «Энергомашиностроение», являются процессы гомогенного горения и горения газожидкостных дисперсных смесей, которые реализуются в тепловых двигателях и большинстве прочих технических устройств.

  Процессы горения и сопровождающие их физические эффекты чрезвычайно многообразны и зачастую сложны для достоверного моделирования. Наиболее простой вид – гомогенное горение, но уже в нем наблюдается многообразие химических реакций, протекающих одновременно с явлениями гидродинамики и молекулярного переноса. Турбулентный режим движения существенно влияет на горение. Дальнейшее усложнение в процессы сгорания вносят: нестационарность, протекающие совместно с горением процессы перемешивания, наличие второй фазы, существенный во многих случаях перенос энергии излучением. Количественное исследование и достоверное моделирование многих аспектов горения значительно затруднено по многим причинам.

  Несмотря на указанные трудности, принципиальных препятствий на пути успешного количественного анализа (моделирования) процессов сгорания нет. Применение достаточно общих методов, основанных на достижениях фундаментальных наук, построение на их основе с использованием разумных допущений полезных математических моделей позволяет для большинства задач провести моделирование процессов с достаточной точностью.

  В этой связи наиболее рационально процесс горения в газе рассматривать в общем случае как пространственое неустановившееся течение химически реагирующей газовой смеси, что приводит к описанию этих явлений горения законами, аналогичным законам сохранения механики жидкости и газа. Такая постановка позволяет рассматривать с единых позиций любые химически неравновесные течения. Таким образом, хотя классическое определение горения подразумевает однонаправленное превращение исходных веществ в продукты сгорания, методы науки о горении применимы вообще для описания высокотемпературных гомогенных и гетерогенных течений, сопровождающих химическими превращениями.

  Цели и задачи курса

  Цель изучения данного курса может быть поставлена двояко – с одной стороны, получение четких представдений о физических основах процессов, происходящих при горении, с другой стороны – приобретение знаний и навыков количественного описания и математического моделирования процессов горения на базе достаточно фундаментальных подходов и в достаточно общей и универсальной постановке. Поэтому в число задач курса входит как можно более системное изложение физических основ и фундаментальных положений, применяемых для описания и построения математических моделей процессов горения.

  Задачи специалиста в области горения

  Количественное описание или моделирование процессов горения необходимо для совершенствования соответствующих технических устройств. Горение встречается в камерах сгорания (КС) тепловых двигателей (ДВС, ГТД, ВРД, ЖРД), в топочных устройствах электростанций и др. Во всех случаях для получения мксимального положительного эффекта стремятся организовать сжигание топлива с наибольшей эффективностью. В разных приложениях проблемы организации процесса имеют специфику, но вообще требования к организации процесса горения можно выразить так:

  сжигание топлива следует провести в отведенном для этого объеме и за отведенное время, при этом полнота сгорания должна быть максимальной, а непроизводительные потери энергии, как и затраты ее собственно на осуществление процесса – минимальными, причем продукты сгорания не должны содержать токсических компонентов в повышенных концентрациях.

  Кроме того, при организации процессов горения следует по возможности во всем диапазоне работы устройства не допускать разнообразных нарушений его нормального протекания, снижающх качество рабочего процесса и эксплуатационные характеристики всей машины. Применительно к ДВС, например, к таким нарушениям относятся: пропуски зажигания, затянутое горение, неполное сгорание, погасание, калильное зажигание, детонация, сажеобразование и др.

  Задачи количественного описания (моделирования) осложняются тем, что процесс горения представляет единство разнородных и разномасштабных физических явлений – в типичном случае горение есть пространственное течение смеси газов, в котором протекают множество реакций между многими компонентами, одновременно наличествуют несколько физических процессов, существенно влияющих друг на друга. Течение реагирующей смеси газов в подавляющем большинстве случаев турбулентное и часто присутствует вторая фаза в виде частиц или капель топлива, а также играет роль перенос энергии излучением (повторенье - мать ученья).

  Значение науки о горении. Три уровня знаний – фундаментальные науки, модели, инженерная практика.

  Для синтеза объекта – технической системы, реализующей заданный процесс сгорания – нельзя обойтись без его описания. А это описание возможно методами и средствами науки о горении, если понимать под ней всю систему знаний, относящуюся к проблемам горения на всех уровнях – от наиболее общих теоретических основ до практического применения.

  С накоплением опыта, развитием теоретической базы и расширением приложений, ужесточением требований, расширяются возможности науки о горении. Однако в понятие «наука о горении» входит много разнородного, подобно тому, как проблема собственно горения включает много аспектов. Для лучшего понимания того, что эта наука дает практике и как используются ее достижения, разделим ее условно на три части (уровня): 1) фундаментальные науки; 2) модели; 3) инженерную практику.

	Фундаментальные науки
НАУКА О ГОРЕНИИ	Модели
	Инженерная практика

Это не что иное, как принципиально разные уровни описания и рассмотрения реальных процессов. Посмотрим, как это рассмотрение ведется на разных уровнях.

Основополагающая и самая «наукоемкая» часть знаний, входящих в науку о горении – фундаментальные науки. Это область «чистой науки», как бы не имеющая непосредственного отношения к практическим задачам осуществления горения, обеспечивает науку о горении наиболее фундаментальными базовые инструментами. Речь идет, однако, о небольшом круге фундаментальных дисциплин (так или иначе знакомых студентам ко времени изучения данного курса). Перечислим их коротко, вместе с тем вкладом, который они вносят собственно в науку о горении:

• молекулярно-кинетическая теория – служит базой для обоснования основных положений термодинамики и химической кинетики, детального описания процессов молекулярного переноса энергии, массы и импульса;

• термодинамика и химическая термодинамика – дают стройную структуру термодинамических соотношений, выражения для термодинамических и термохимических свойств веществ;

• химическая кинетика – устанавливает действительные механизмы протекания химических реакций и методы приближенного описания химически реагирующих систем, а также, на основе накопленных данных позволяет количественно рассчитать скорость химических превращений;

• гидродинамика и тепломассообмен – дают основу для описания течений газовых смесей и моделей двухфазных течений, для моделирования явлений молекулярного переноса, турбулентности и эффектов межфазного взаимодействия;

• прикладная математика и выислительная гидродинамика – вырабатывают методы эффективной численной реализации математических моделей процессов.

  Модели. Для обоснованного проектирования (инженерного анализа) следует использовать адекватное количественное описание [проектируемого] объекта. Любое же количественное описание, в свою очередь, опирается на [математические] модели и также является моделью, т. е. неполным аналогом действительного объекта, которой требуется с достаточной точностью предсказывать свойство и поведение реальных объектов. В арсенал средств науки о горении входит множество проверенных моделей элементарных процессов. К моделям такого рода относятся, например, следующие:

• разного рода упрощкнные модели горения в потоке и в объеме;

• модели самовоспламенения;

• модели турбулентного горения;

• модели испарения (и горения) одиночных капель жидкого топлива;

• модели образования токсичных компонентов ПС.

• и т. д.

Модели, в частности, и используемые для описания элементарных процессов горения, с одной стороны, опираются на положения фундаментальных наук, с другой стороны, проверенные экспериментально, могут принести немалую пользу, будучи применены на практике в виде расчетных методик (и программных пакетов).

Кроме того, частные модели, самые надежные и гибкие из них, могут использоваться в качестве «кирпичиков» для построения подробных моделей процессов в целом, т. е. моделей более высокого уровня. Это - очень ценное их свойство.

Наконец, на уровне инженерной практики проверенные знания общего характера используются в практической деятельности. Важную роль играет и такой инструмент, как интуиция. Так, при проектировании ДВС используются представления типа:

• при соответствующей температуре и параметрах потока смесь быстро сгорает;

• для надежного зажигания нужна определенная энергия эл. разряда;

• при известных степенях сжатия возможна детонация;

• отверстия распылителя форсунки должны быть определенного диаметра;

• определенные коэффициенты избытка воздуха приводят к повышению концентраций СО в ОГ

• и т. д.

Фундаментальные представления о физике процессов значительно помогают в инженерной практике, но какие-либо количественные расчеты на их основе, показывающие пути совершенствования рабочего процесса, на данном уровне невозможны (например, в термодинамическом расчет рабочего процесса ДВС уже должен быть «заложен», а не рассчитан детально процес сгорания). Этот подход удовлетворительно работает, когда используются аналоги и хуже, когда идет проектирование чего-то совершенно нового. Недостатки конструкции, иногда значительные, выявляются натурными испытаниями. Могут оставаться неиспользованные резервы и т. д.

Поэтому в настоящее время в инженерную практику активно внедряются методы, модели и инструменты, позволяющие все более достоверно моделировать процесы горения. Можно утверждать, что наступает время методов анализа, использующих весьма детальные модели, построенные на новейших достижениях фундаментальных наук. Применительно к задаче расчета сгорания в ДВС необходимый уровень описания включает возможность детального моделирования трехмерного течения реагирующей многокомпонентной смеси с использованием моделей всех существенных процессов: модели турбулентности, подробного механизма химических реакций, межфазных взаимодействий и т. п. При проектировании современных ДВС именно этот подход постепенно становится общепринятым и оправданным. Понятно, что наиболее детальные и подробные математические модели процессов должны иметь надежное обоснование, пэтому их разработкой занимаются квалифицированные исследователи и группы в специализированных лабораториях и научных центрах, что при наличии мощной вычислительной техники уже сейчас дает полезные результаты. Такие модели находят затем прмменение в коммерческих программных пакетах, позволяющих проводить расчет процессов течения рабочих тел в ДВС с учетом смесеобразования и сгорания в достаточно детальной постановке (KIVA, Star-CD и многие др.).

План курса

К счастью, в большинстве случаев для построения моделей горения не требуется доходить до молекулярно-кинетического уровня (или, тем более, изучать внутреннюю структуру молекул и атомов), т. е. достаточно описания в рамках допущения сплошной среды и обобщенных законов сохранения механики жидкости с использованием соотношений химической кинетики. Изучение и использование теории горения в такой постановке студентами представляет собой сравнительно несложную задачу (в чем самим студентам предстоит убедиться при подготовке к экзамену).

Изложение материала курса ведется с упором на физические основы процессов и фундаментальные методы их количественного описания в качестве необходимой теоретической базы (не устаревающее знание!). Модели и применения общей теории для расчета частных явлений будут разбираться частично на лекциях, частично на практических занятиях. Применяться модели к расчету процессов в реальных устройствах не будут, цель курса не в этом, так что вопросы организации сгорания в конкретных тепловых двигателях будут освещаться в значительной степени описательно.

Во 2-й лекции рассматривается система термодинамических отношений, справедливых для смесей идеальных газов, и базовые сведения по элементарным методикам расчета состава и температуры продуктов сгорания в потоке и в замкнутом объеме. В 3-й лекции вводятся основные сведения по формальной кинетике, понятия скоростей прямых и обратных реакций, химического равновесия и данные об особенностях протекания действительных реакций в газовой фазе. Следующая лекция посвящена знакомству с общими уравнениями сохранения при пространственном нестационарном движении реагирующей смеси. В лекции 5 рассматривается ламинарное пламя как простейший и классический пример горения смеси, для описания которого уже требуется привлекать полную систему уравнений сохранения. Излагается также аналитическая [тепловая] теория нормального горения, основанная на некоторых остроумных упрощениях; приводится фактический материал о влиянии различных факторов на скорость ламинарного горения. 6-я лекция посвещена турбулентному горению, причем упор делается на сложностях физической картины и математического описания данного явления. В 7-й лекции даются базовые модели для описания многофазных реагирующих течений, подробно рассматриваются явления тепломассообмена и сопротивления при движения одиночной капли в потоке, как элементарного процесса, имеющего место при подготовке горючей смеси. В следующей лекции рассмотрены процессы, сопровождающие действительное горение: воспламенение и самовоспламенение, распространение пламени погасание, методы стабилизации пламени, а также калильное зажигание в ДВС как вид нарушения нормального протекания сгорания. Лекция 9 посвящена описанию явления детонации; большое внимание уделено элементарной теории и особенностям детонации в условиях двигателя. В лекциях 10 и 11 рассматриваются соответственно вопросы образования токсичных компонентов в поцессе сгорания в ДВС и известные методы организации рабочего процесса в КС поршневых двигателей.

Можно сказать, что изучение науки о горении студентами должно способствовать «миграции» достижений науки о горении в иженерную практику двигателестроения. Это одна из задач изучения курса, которая может быть успешно решена при условии хорошей посещаемости аудиторных занятий, включающих, кроме курса лекций, самостоятельную работу студентов над заданиями «Практикума на ЭВМ для амостоятельной работы студентов по дисциплине «Основы физики горения»» (in preparation).

Для записи математических формул используется близкая к общеприиянтой в мире система обозначений гидродинамических и аэротермохимических величин (см. предыдущий раздел). Полезно также ознакомиться со списком литературы, помещенным в конце данного пособия.

Вопросы для самоконтроля

1. Горение, как физическое явление и объект изучения

2. Задачи специалиста в области горения

2. Три уровня знаний в науке о горении – фундаментальные науки, модели, инженерная практика.

3. Фундаментальные науки, имеющие отношение к описанию процессов горения

4. Примеры частных моделей в описании явлений горения

5. Современное состояние вопроса с моделированием горения в тепловых двигателях.