О моделировании распространения пламени в замкнутом цилиндрическом канале
Барг М.А., Поландов Ю.Х.
The problem being studied is the premixed flame propagation in a closed tube. Computational simulations were held using the “Vulcan-M” computational program suite. The simulation results show that there are three flame front configuration exist in this case, i.e. “finger” (“mushroom”), “tulip” and a classical cellular configuration.
При помощи численного моделирования решалась задача распространения фронта пламени по однородной метано-воздушной смеси внутри замкнутого цилиндрического канала. Состав смеси принят близким к стехиометрическому. Канал представлял собой цилиндр длиной 1 м и диаметром 0,2 м. Воспламенение смеси производилось точечным источником в центре одного из оснований цилиндра (слева).
Трехмерное моделирование проводилось средствами программного пакета «Вулкан_М» [4], реализующего разработанную авторами настоящей статьи модель горения газообразных топливно-окислительных смесей [3]. Расчетная область покрывалась регулярной ортогональной пространственной сеткой с шагом 0,01 м (рисунок 1). Шаг по времени равнялся 5*10-7 с. Начальное давление в канале равнялось атмосферному, температура смеси - 20°С. В процессе моделирования учитывался теплообмен между газом и стенками канала согласно выражению (1):
,(1)
где - количество энергии, переданной от смеси стенке камеры за время , Дж; - площадь теплообмена, м2; и - температуры смеси и поверхности стенки соответственно. Значения параметров и принимались равными 30 и 1 соответственно.
Рисунок 1 - Расчетная область (белые ячейки - расчетные, синие - стенки канала, голубые - нерасчетные ячейки)
В процессе моделирования производилась визуализация положения фронта горения при помощи библиотеки построения математических графиков MathGL 5.0 [2]. На рисунке 2 представлены конфигурации пламени в последовательные моменты времени.
В процессе развития пламени были выделены следующие три стадии. В течение первой стадии (0 - 60 мс) происходит быстрое продвижение фронта горения, поверхность фронта принимает выраженную пальцеобразную форму (выпуклость в сторону несгоревшей смеси). В течение следующих 40 миллисекунд конфигурация сменяется на противоположную - тюльпанообразную (выпуклость в сторону сгоревшей смеси). На последней стадии (100 - 275 мс) фронт пламени частично выравнивается, переходя к ячеистой конфигурации.
Рисунок 2 - Положение фронта пламени в различные моменты времени относительно границ расчетной области (границы канала не отображены)
Полученные результаты моделирования хорошо согласуются с экспериментальными данными по образованию тюльпанообразного пламени, полученными Сирби и Кланетом [1] в полуоткрытой трубе. В то же время, формирование ячеистой структуры из тюльпанообразного пламени ранее не отмечалось. фронт пламени цилиндрический канал
Получение в ходе численного моделирования различных конфигураций пламени без априорных предположений об их существовании свидетельствует о высокой степени адекватности и потенциальной информативности используемой модели и программного пакета.
В настоящее время еще не существует достоверного математического аппарата, описывающего причины и условия возникновения различных конфигураций пламени. В связи с этим существует необходимость проведения дальнейших исследований в данной области. Численное моделирование остается наиболее доступным и информативным методом исследования процессов горения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Clanet C. On the "Tulip Flame" Phenomenon [Текст] / C. Clanet, G. Searby // Combustion and Flame, 1996. V. 105. P. 225-238
2. MathGL - library for scientific graphics [Электронный документ] / A. Balakin. - режим доступа: http://mathgl.sourceforge.net/
3. Поландов, Ю.Х Моделирование процесса горения газовоздушной смеси методом крупных частиц [Текст] / Ю.Х. Поландов, М.А. Барг, С.А. Власенко // Пожаровзрывобезопасность : Научно-технический журнал ООО «Издательство «Пожнаука» - Т. 16. - № 3. - C. 6-9.
4. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ 2007614950 Моделирование процессов горения и взрыва газовых смесей «Вулкан-М» [Текст] / Барг М.А., Поландов Ю.Х., Марков С.С.; заявитель и правообладатель ГОУ ВПО ОрелГТУ. - Заявка № 2007613936; заявл. 08.10.2007; зарегистрировано 03.12.2007. - 1с.