The influence of gas flow rate on the methane-air mixture burning in a flat burner with an inert body.pdf Задача горения газовой смеси в микрогорелке представляет собой одно из перспективных направлений в современных исследованиях. Актуальность задачи связана с тенденцией в промышленности к миниатюризации горелочных устройств и топливных элементов. Как известно, основным требованием, предъявляемым к горелочным устройствам, является энергоэффективность и устойчивость режимов работы горелки. При горении газа в микрогорелке, в роли которой может выступать узкая трубка или канал, потери тепла через боковую поверхность горелки могут привести к неустойчивости горения и затуханию пламени. Для сокращения тепловых потерь и поддержания горения в узкой трубке или радиальном канале в [1, 2] предложено использовать дополнительный подогрев стенок трубки или канала. В [3] предложена модель горения газов в противоточ-ном теплообменнике. Газы, перемещаясь вдоль параллельных трубок в противоположных направлениях, обмениваются теплом через общую границу трубок, тем самым поддерживая горение. Авторами [4, 5] показано, что можно организовать и поддержать горение метано-воздушной смеси в узкой U-образной трубке прямоугольного сечения за счет зажигания смеси предварительно разогретой внутренней стенкой трубки. Реакционная смесь дополнительно подогревается за счет теплообмена газа в верхней и нижней частях трубки через тонкую внутреннюю стенку, что позволяет поддержать горение бедной смеси [4, 5]. Устойчивость горения газовой смеси определяется не только величиной тепловых потерь, но и совокупным влиянием параметров скорости потока и теплообмена [6]. В [4, 5] проведен анализ совокупного влияния процессов тепло-массопереноса в горелке и определены диапазоны значений скорости и теплообмена смеси на внешних стенках U-трубки, при которых устанавливается высокотемпературный или колебательный режим горения. Классическая тепло-диффузионная модель горения газов предполагает постоянство плотности и скорости течения газовой смеси и не учитывает зависимость коэффициентов диффузии и теплопроводности от температуры. При описании теплообмена с внешними стенками используют допущение постоянства числа Нус-сельта. Расчеты для таких допущений позволяют получить качественные закономерности процесса. Учет изменения коэффициентов переноса оказывает достаточно сильное влияние на результаты и важно для инженерных расчетов. Влияние температурной зависимости коэффициентов переноса и теплового расширения газа было показано в [7] при решении задачи зажигания и определения количества тепла, переданного от горячей стенки газу. Влияние теплового расширения газа показано в работах [5, 7, 8]. В настоящей работе, на основе физико-математической модели горения газа, [4, 5], поставлена и решена задача горения 6 %-й метано-воздушной смеси в щелевой горелке с инертной внутренней вставкой, (рис. 1). Математическая постановка задачи формулируется в размерном виде и учитывает влияние теплового расширения газа и зависимость коэффициентов диффузии, теплопроводности и теплообмена от температуры. Основной целью исследования является определение условий существования высокотемпературного режима горения. u a G 0 2L L б T h I а т.; h II а III T h Рис. 1. Модель щелевой горелки (а); схема горелочного устройства (б): I - входная трубка, II - внутреннее тело, III - выходная трубка Холодная метано-воздушная смесь со скоростью uv, массовым содержанием метана av и температурой Tv подается в предварительно разогретую щелевую горелку со стороны х = 0 (область I на рис. 1, б). Смесь проходит через верхнюю часть горелки и на границе х = L меняет направление движения, на границе х = 2L газ вытекает, (область III, рис. 1, б). Протекая через устройство, реакционная смесь обменивается теплом с внутренней вставкой по закону Ньютона с коэффициентом теплообмена а. Предполагается, что теплоотдача в окружающую среду через внешнюю боковую поверхность отсутствует. При постановке задачи приняты следующие допущения: расход реакционной смеси через входное сечение щелевой горелки постоянен, G = pu = const; экзотермические химические реакции определяются законом Аррениуса с первым порядком реакции; учитывается распределение температуры смеси и выгорания горючей компоненты только вдоль направления движения смеси; температура в поперечном направлении внутренней вставки считается однородной; давление в горелке постоянно. С учетом сделанных допущений математическая постановка задачи имеет следующий вид: уравнение энергии для реакционной смеси: dT + dT df.dT _,ч f E +cpuк =dXJ+h(s- )pQak0expI-RT (1) T (x, t), x < L, (2L - x,t),x > L; 0 < x < 2 L, Tj,S (x, t) = |T уравнение энергии для вставки: d 2T (2) (3) (4) (5) (6) (7) 0 < x < 2 L ^ 11 = ^ ^T-f(T -T(x,t))--T(2L-x,t)),0 < x< L ; dt dx h 1 h 1 уравнение баланса массы горючей компоненты в смеси: da da d f da Л f E p¥+pu ¥ = & I Dp¥ J-p ak°exp I-RT уравнение состояния идеального газа: Ф + d(pu)=0 dt dx p = - RT = const; H уравнение неразрывности: Граничные условия: T (0,t) = Tv, a (0,t) = av, -^TM = 0, p (0, t) = ^-H u (0, t) = uv ax ' ' 4 ' y rt (0, t) da (2 L, t) = dT (2L, t) = dT1 (L, t) dx dx -= 0. dx Начальные условия: Tv, x

Скачать электронную версию публикации