Математическая модель горения полифракционной аэровзвеси алюминия с учетом реакции азотирования

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 541. 1- 519. 1
А. Ю. Крюков, В.И. Малинин
Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ГОРЕНИЯ ПОЛИФРАКЦИОННОЙ АЭРОВЗВЕСИ АЛЮМИНИЯ С УЧЕТОМ РЕАКЦИИ АЗОТИРОВАНИЯ
Представлена математическая модель горения полифракционной аэровзвеси порошка алюминия с учетом реакции азотирования, предназначенная для описания процессов воспламенения и сгорания смесей металла и воздуха в прямоточных камерах технологических и энергетических установок. Модель включает описание взаимодействия алюминия и воздуха, причем рассматривается образование не только оксида, но и нитрида. Исследуется одномерный квазистационарный процесс движения полифракционной аэровзвеси частиц алюминия с переменной скоростью, температурой, плотностью частиц и газа, давлением, концентрацией кислорода, азота и продуктов химических реакций. В структуру модели входит система нелинейных дифференциальных уравнений, отражающая законы сохранения массы, энергии и импульса реагирующих компонентов, уравнения движения фаз, выражения для определения скоростей химических реакций и фазовых переходов. Особенностью модели является то, что реакция окисления и реакция азотирования алюминия рассматриваются как параллельные совместно протекающие реакции. Причем на поверхности сгорающих частиц металла учитывается диффузионно-кинетический характер процессов, а в объеме потока — только кинетика процессов. Принимаются в расчет кинетические ограничения на скорости химических реакций, неравновесность процессов, особенности накопления оксида на поверхности частиц и в объеме потока. Принципы построения этой модели являются универсальными, позволяют учитывать специфику образования как оксида, так и нитрида. Модель предназначена для численных исследований и анализа процессов горения аэровзвесей алюминия с учетом одновременного образования оксида и нитрида металла.
Ключевые слова: математическое моделирование, горение, течение, аэровзвесь, алюминий, реакция окисления, реакция азотирования, кинетика, неравновесная термодинамика, ультрадисперсная фракция.
A. Yu. Kryukov, V.I. Malinin
Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation
MATHEMATICAL MODEL OF BURNING OF POLYFRACTIONATING AIR SUSPENSION OF ALUMINIUM TAKING INTO CONSIDERATION A NITRATION REACTION
In the paper the mathematical model of burning of polyfractionating air suspension of aluminium taking into consideration a nitration reaction is presented. The model is intended for description of ignition and combustion processes of mixtures of metal and air in straight flow chambers of process and power installations. The model includes description of an interaction aluminium and air with taking into
account not only oxide forming but also nitride formation. The one-dimensional quasi-steady process of motion of polyfractionating air suspension of aluminium particles is considered. This air suspension flow is characterized by alternating velocity, temperature, density of gas and particles, pressure, concentration of oxide, nitrogen and chemical reactions products. The parts of model structure are: system of nonlinear differential equations showing conservation laws of mass, energy and impulse of interacting components- equations of phase motion, expression for definition of rates of chemical reactions and changes of phase. The distinctive feature of the model lies in the consideration of aluminium oxidation and aluminium nitration as parallel simultaneously proceeding reactions. It is taken into account the diffusion-kinetic nature of processes on the surface of burning metal particles and only kinetics of processes in the flow volume. Kinetic limitations for chemical reactions rates, processes nonequilibrium, particular features of oxide accumulation on the particles surface and in the flow volume are taken into consideration. The principles of construction of the model are multi-purpose and they allow to take into account specific character of both the oxide and the nitride. This model is intended for numerical researches and analysis of processes of burning of aluminium air suspensions with calculations of oxide formation simultaneously with metal nitride formation.
Keywords: mathematical modelling, combustion, flow, air suspension, aluminium, oxidation reaction, nitration reaction, kinetics, nonequilibrium thermodynamics, ultrafine fraction.
Введение
Построение адекватных математических моделей воспламенения и сгорания аэровзвесей металлических порошков является актуальным направлением современной теории горения, имеющим большое прикладное значение для управления внутрикамерными процессами в технологических установках получения ультрадисперсных материалов и в энергоустановках на порошковом металлическом горючем [1].
В настоящей работе представлена математическая модель, включающая описание взаимодействия алюминия и воздуха, причем рассматривается образование не только оксида, но и нитрида. Необходимость учета азотирования определяется данными экспериментальных исследований [2], показывающих надежное воспламенение и устойчивое горение аэровзвесей алюминия при малых значениях коэффициента избытка воздуха, а (вплоть до, а = 0,04).
Построение модели выполнено на основе модернизации модели образования оксида при горении порошка алюминия, представленной в работе [1], которая отличается тем, что учитывает кинетические ограничения на скорости химических реакций, неравновесность процессов, особенности накопления оксида на поверхности частиц и в объеме потока. Принципы построения этой модели являются универсальными, позволяют учитывать специфику образования как оксида, так и нитрида. Новая модель получается добавлением к исходной [1] соотношений, определяющих вклад азотирования в процессы горения.
В работе [3] автором впервые была предложена математическая модель горения одиночной частицы Al, учитывающая накопление ок-
сида на частице и кинетику поверхностных процессов. Модель предлагалась для описания процесса горения частиц размером менее 40 мкм в воздухе при давлении 0,1 МПа. Для соответствующих условий были выполнены расчеты параметров процесса горения алюминия, которые показали необходимость учета кинетического фактора. В исследованиях [1, 4] разработанная в статье [3] модель была усовершенствована, что позволило рассчитывать горение полифракционной взвеси частиц А1 в многокомпонентных газовых смесях.
Ниже описана математическая модель горения полифракционной аэровзвеси частиц А1 в высокоскоростном потоке, учитывающая кинетику процессов и на поверхности частиц, и в объеме потока, температурную и скоростную неравновесность между частицами и газом. За основу принята модель горения одиночной частицы А1 [3], учитывающая накопление оксида на частице, кинетику испарения и поверхностных химических реакций. Описание аэродисперсной системы выполнено так же, как и в монографии [1]. Процессы горения многофазных и многокомпонентных потоков вещества рассмотрены в рамках модели взаимопроникающих движений сплошных сред. Совместно с кинетическими ограничениями, в отличие от всех предыдущих моделей, учтены и термодинамические соотношения (на поверхности частиц и в потоке), которые существенны для переобогащенных смесей (а & lt- 1) и при высоких температурах среды (& gt-3500 К). Соответственно, в модели к другим газовым компонентам добавлены субоксиды алюминия (А120 и А10), которые возникают при горении А1 в обедненной кислородом смеси или при высоких температурах среды. Также учтено образование нитрида алюминия, поскольку из выводов работы [2] следует, что эта реакция имеет место при низких а.

Статистика по статье
  • 5
    читатели
  • 1
    скачивания
  • 0
    в избранном
  • 0
    соц. сети

Ключевые слова
  • МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ,
  • MATHEMATICAL MODELLING,
  • ГОРЕНИЕ,
  • COMBUSTION,
  • ТЕЧЕНИЕ,
  • FLOW,
  • АЭРОВЗВЕСЬ,
  • АЛЮМИНИЙ,
  • ALUMINIUM,
  • РЕАКЦИЯ ОКИСЛЕНИЯ,
  • OXIDATION REACTION,
  • РЕАКЦИЯ АЗОТИРОВАНИЯ,
  • NITRATION REACTION,
  • КИНЕТИКА,
  • KINETICS,
  • НЕРАВНОВЕСНАЯ ТЕРМОДИНАМИКА,
  • NONEQUILIBRIUM THERMODYNAMICS,
  • УЛЬТРАДИСПЕРСНАЯ ФРАКЦИЯ,
  • ULTRAFINE FRACTION,
  • AIR SUSPENSION

Аннотация
научной статьи
по машиностроению, автор научной работы & mdash- КРЮКОВ А.Ю., МАЛИНИН В.И.

Представлена математическая модель горения полифракционной аэровзвеси порошка алюминия с учетом реакции азотирования, предназначенная для описания процессов воспламенения и сгорания смесей металла и воздуха в прямоточных камерах технологических и энергетических установок. Модель включает описание взаимодействия алюминия и воздуха, причем рассматривается образование не только оксида, но и нитрида. Исследуется одномерный квазистационарный процесс движения полифракционной аэровзвеси частиц алюминия с переменной скоростью, температурой, плотностью частиц и газа, давлением, концентрацией кислорода, азота и продуктов химических реакций. В структуру модели входит система нелинейных дифференциальных уравнений, отражающая законы сохранения массы, энергии и импульса реагирующих компонентов, уравнения движения фаз, выражения для определения скоростей химических реакций и фазовых переходов. Особенностью модели является то, что реакция окисления и реакция азотирования алюминия рассматриваются как параллельные совместно протекающие реакции. Причем на поверхности сгорающих частиц металла учитывается диффузионно-кинетический характер процессов, а в объеме потока только кинетика процессов. Принимаются в расчет кинетические ограничения на скорости химических реакций, неравновесность процессов, особенности накопления оксида на поверхности частиц и в объеме потока. Принципы построения этой модели являются универсальными, позволяют учитывать специфику образования как оксида, так и нитрида. Модель предназначена для численных исследований и анализа процессов горения аэровзвесей алюминия с учетом одновременного образования оксида и нитрида металла.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой