Введение к работе
Актуальность темы. Элед/енты многих конструкций и аппаратов (лопатки турбин, поршни и цилиндры двигателей внутреннего сгорания, валки прокатных станов горячей прокатки, теплообменники в котельных и т.п.), работающих в агрессивных условиях, подвергаются сильным тепловым нагрузкам. Термические напряжения и деформации, возникающие в процессе эксплуатации, могут быть причиной разрушения, как отдельных деталей машин, так и конструкций в целом. Проблема разрушения рабочего тела под действием тепловых нагрузок возникает и при разработке пористых горелок.
Пористые радиационные горелки отличаются от традиционных тем, что горение природного топлива организуется внутри специального конвертора, изготовленного из металлических сеток, пористой керамики или металлокерамики. Режимы сжигания газа в таких условиях называют фильтрационными. В настоящее время пределы совершенствования свойств подобных теплогенераторов далеко не исчерпаны. В частности, показатели теплогенератора могут быть существенно улучшены за счет изменения физико-химических, механических, структурных и компоновочных свойств используемого пористого тела, что даст возможность целенаправленно управлять режимами горения.
Для оптимизации работы существующих горелок и разработки их новых вариантов требуется исследовать возможные режимы сжигания газа в пористом теле теплогенератора при варьировании технологических параметров (в том числе, геометрических). В экспериментальных исследованиях варьирование параметров в широкой области их изменения весьма затруднительно. Поэтому для изучения режимов горения прибегают к математическому моделированию. Математическое моделирование также необходимо для определения области допустимых технологических параметров с целью предотвращения аварийных ситуаций, при разработке и оптимизации радиационных горелок. Если исследованию режимов горения газов в пористых средах посвящено огромное число публикаций (Бабкин B.C., Лаевский Ю.М., Минаев С.С., Коржавин А.А.,-Какуткина Н.А., Дробьгшевич В.И., Жданок С.А., Добрего К.В, Футько СМ. Oiiveira А.А.М., Kaviany М., Barra A.]., Howell J.R др.), то роли технологических условий не уделяется должного внимания. Например, недостаточно изучены стационарные режимы сжигания газа в технологических условиях, механические свойства пористых материалов, используемых для изготовления горелочных устройств, влияние геометрических факторов на рабочие параметры. Поэтому теоретическое исследование как теплофизических процессов при сжигании газа в пористой среде, так и сопутствующего этому напряженно-деформированного состояния (НДС) пористого рабочего тела до сих пор является актуальным.
Цель работы: Теоретическое исследование напряженно-деформированного состояния полого пористого цилиндра (рабочего тела горелки) при различных режимах сжигания в нем газа.
Для достижения цели необходимо:
-
Дать общую характеристику напряженно-деформированного состояния пористого рабочего тела в технологических условиях.
-
Сформулировать общую модель, позволяющую исследовать характер температурных полей в деформируемом пористом теле в различных условиях, приводящих к разным вариантам моделей сжигания газа.
З; Проанализировать распределение напряжений и деформаций в пористом теле для стационарных и нестационарных условий сжигания газа.
4. Исследовать влияние геометрических и физических параметров пористых сред
на величины термических напряжений и деформаций и характеристики про
цесса сжигания газа.
5. Изучить возможные критические явления.
Научная новизна работы
В диссертационной работе впервые:
-
Сформулирована модель, позволяющая исследовать механическое поведение цилиндрического пористого рабочего тела при сжигании в нем газа, учитывающая одновременно протекающие физико-химические, диффузионные и тепловые процессы в газе, тепловые и механические процессы в пористом теле, взаимодействие пористого тела с теплообменником и продуктами сгорания.
-
На основе результатов численного моделирования выявлены критические условия, разделяющие стационарный и нестационарный режимы сжигания газа в пористом теле цилиндрической формы.
-
Получен ряд инженерных формул, удобных для оценки величины радиационного потока, уходящего к теплообменнику, и механических напряжений, возникающих в пористом теле в различных условиях.
-
Проанализировано напряженно-деформированное состояние пористого тела цилиндрической формы для стационарного и нестационарного режимов сжигания газа и для различных вариантов компоновки слоев.
Теоретическая и практическая значимость работы. В работе получены новые знания о стационарных режимах работы пористых горелочных устройств и о взаимовлиянии физических и механических процессов в технологических условиях. Результаты исследования процесса сжигания газа в пористом теле и его НДС могут быть использованы для оптимизации реально существующих горелочных устройств и при конструировании их новых вариантов.
Достоверность результатов подтверждается тщательным тестированием программ, сравнением численных результатов с точными аналитическими решениями в различных предельных случаях, непротиворечивостью получаемых результатов и сравнением выводов теории с данными эксперимента.
Личный вклад автора заключался в анализе литературных данных, написании и отладке программ, численном исследовании сформулированных частных задач, обсуждении полученных результатов, формулировании основных научных положений и выводов. Все работы, опубликованные в соавторстве, выполнены при личном участии автора.
На защиту выносятся:
-
Результаты теоретического исследования напряженно-деформированного состояния одно- и двухслойных пористых рабочих тел при различных режимах сжигания газа и различных свойствах слоев.
-
Приближенные формулы для оценки температуры поверхности рабочего тела, скорости сжигания газа, радиационного потока тепла, величин напряжений и деформаций, удобные для инженерных оценок.
-
Вариант компоновки слоев рабочего тела, обеспечивающий минимальные механические напряжения в сочетании с удовлетворительным теплосъемом.
4. Существование критических условий, разделяющих стационарный или нестационарный режимы работы горелочного устройства.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 12 конференциях различного ранга: XV Зимней школе-конференции по механике сплошных сред, (г. Пермь, 2007); XII Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современная техника и технологии» (г. Томск, 2007); III.IV Всероссийской конференции молодых ученых «Физика и химия высокоэнсргстических систем» (г. Томск, 2007, 2008); III Российской научно-технической конференции «Разрушение, котроль и диагностика материалов и конструкций» (г. Екатеринбург, 2007); XVI Всероссийской школе-конференции молодых ученых и студентов «Математическое моделирование в естественных науках» (г. Пермь, 2007); V Международной конференции студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (г. Томск, 2008); III Всероссийской конференции с участием зарубежных ученых «Задачи со свободными границами: теория, эксперимент и приложения» (г. Бийск, 2008); VI Всероссийской конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики» (г. Томск, 2008); VI Международной конференции «Методы аэрофизических исследований» (г. Новосибирск, 2008); VII Всероссийской конференции молодых ученых «Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии» (г. Новосибирск, 2009); Международной конференции по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов (г. Томск, 2009).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 23 научные работы, в том числе 4 статьи в рецензируемых журналах из перечня ВАК и раздел в монографии.
Объем работы
Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка цитируемой литературы. Общий объем диссертации - 155 страниц, включая 57 рисунков и список литературы из 120 наименований.
