Введение к работе
Актуальность работы. Моделирование процессов самовоспламенения и горения ззрыва) гомогенных газовых смесей и моторных топлив в ограниченных постоянных и пере-[енных объемах сложной геометрии представляет собой фундаментальную задачу, решение оторой имеет теоретическое и практическое значение для изучения закономерностей горения
целью повышения надежности, экономичности и экологической безопасности транспортных вигателей внутреннего сгорания (ДВС).различных типов, а также обеспечения пожаровзры-обезопасности сосудов и реакторов химической и газовой промышленности, шахтных объек-ов и оборудования, объектов традиционной и атомной знерг-етики, новой авиационной и кос-[ической техники. Аварийное воспламенение и последующее горение (взрывы) газовоздуш-ых смесей в промышленности наносят большой материальный ущерб обществу и нередко риводят к человеческим жертвам. Теория внутреннего взрыва заложена в работах Нагеля 4agel А., 1908), Фламма и Махе (Flamm L., Mache R, 1917), Льюиса и Эльбе, Иоста, Фиока и ругих. В последуюшие годы ей было посвящено большое количество экспериментальных и горетических работ, однако многие проблемы до сігх пор не решены. Современные методы асчета и соответствующие конструктивные и профилактические мероприятия еще не позво-яют полностью исключить условия, при которых возможны воспламенения и взрывы горю-их смесей в неконтролируемых условиях. Моделированию и оптимизации рабочих процессов
ДВС посвящены работы многих отечественных и зарубежных ученых. Однако, что касается роцессов самовоспламенения и горения в ДВС, а также экологических задач, применительно
использованию как традиционных нефтяных так и новых перспективных топлив, то матема-ические модели и соответствующие методы расчета в настоящее время разработаны недоста-очно. Особенно следует отметить важнейшую проблему жесткого сгорания или "стука", на-людаемого в ДВС с искровым зажиганием при форсированных режимах работы.
Основной целью работы является развитие существующих представлений о процессах імовоспламенения и горения газовоздушных смесей (в том числе новых и перспективных то-лив) в ограниченных объемах сложной геометрии и ДВС и разработка математических моде-си, учитывающих многозошюсть рассматриваемых процессов, а также аналитическое, чис-енное и экспериментальное исследование этих процессов, направленное на решение ряда тео-етических и практических задач теории горения.
Научная новизна.
Разработаны обобщенные уравнения динамики взрыва газа в ограниченном объеме, в том нсле для вращающегося газа, предложены и обоснованы полуэмпирический метод моделиро-шия динамики взрыва газа в реальных закрытых аппаратах и метод расчета динамических ха-актеристик процесса. Полученные решения в обобщенном виде описывают динамику сгора-ия смеси (массовую долю), динамику давления, координату пламени и пять скоростей на роите пламени, поля скоростей (ускорений) и температур (плотностей) свежего газа и проектов горения при распространении одномерных пламен.
Выполнено одно из первых систематических экспериментальных исследований взрыва та в сообщающихся сосудах, разработана математическая модель процесса и объяснен эф-ект аномально высокого давления. Проведены экспериментальные исследования горения газа линейных системах сообщающихся сосудов при больших блокадных отношениях и обнару-ек стационарный режим распространения переднего фронта пламени. Предложенные матема-іческие модели удовлетворительно описывают различные режимы горения.
Впервые сформулирована физическая задача и разработана математическая модель про-;сса объемного самовоспламенения газа перед фронтом пламени в закрытом сосуде. Получе-э аналитическое решение задачи, приводящему к критическому условию самовоспламенения, редложен и обоснован дифференциальный критерий самовоспламенения и разработан алго-
ритм решения общей задачи о самовоспламенении газа при адиабатическом сжатии. Разр таны математические модели и решены задачи о самовоспламенении газа перед фроіггом мени в сообщающихся сосудах и экзотермических смесей в адиабатической пушке со свої ным поршнем (и рассмотрена обратная задача).
Сформулировала и теоретически обоснована гипотеза о природе стука или детонаш ДВС с искровым зажиганием как проблема конкуренции процессов фронтального и объем! горения, разработана математическая модель и аналитически решена задача о самовосплам нии (приводящем к стуку или детонации). При численном моделировании пределов стука детонации и обнаружен полуострова самовоспламенения. Разработана математическая мод самовоспламенения смеси перед фронтом пламени в ДВС с искровым зажиганием на ocs приближения детальной кинетики химических реакций (для смесей изооктана и н-гептаї воздухом).
Разработаны математические модели для расчета и моделирования задержки воспламі ния топлива в дизеле и газодизеле как задачи о периоде индукции динамического тештов взрыва. Сформулирована гипотеза о причине жесткой работы газодизеля и разработана м; матическая модель для задачи о самовоспламенении локального объема на заключитель стадии горения.
Выведены уравнения для массовой доли продуктов горения в открытой системе и в общающихся сосудах и уравнения энергии для многозонной модели процессов фронтальног объемного горения газа в замкнутом объеме и ДВС. Разработаны математические модели п цесса сгорания смеси в ДВС с форкамерным зажиганием (на основе закономерностей взрі газа в сообщающихся сосудах) и процесса сгорания смеси в ДВС с искровым зажигание! учетом равновесного состава продуктов горения в рамках многозонной модели, позволяюі прогнозировать выбросы вредных веществ.
Разработаны замкнутые математические модели и исследованы особенности динамі сгорания смеси в ДВС с искровым зажиганием и экономических показателей цикла при р личных законах изменения поверхности пламени и камерах сгорания с различной реалы геометрией, а также с учетом процессов конвективного и радиационного теплообмена свей смеси и продуктов горения с ограждающими поверхностями различной температуры.
Практическая ценность. Разработаны математические и физические методы модел рования процессов горения в замкнутых объемах сложной геометрии с целью прогнозировав аварийной ситуации в различных реальных объектах, в том числе в сообщающихся сосуда) многокамерных системах. Сформулирована и обоснована гипотеза о природе стука или де нации в ДВС с искровым зажиганием как проблеме конкуренции процессов фронталыюге объемного горения. Математические модели процессов самовоспламенения и горения в ДВ( искровым и форкамерным зажиганием, дизелях и газодизелях и результаты исследования ь гут быть использованы при создании новых конструкций и совершенствования серийных ді гателей и для разработки детализированных математических моделей рабочих процессов с і лью повышения надежности, экономичности и экологической безопасности транспорта ДВС. Результаты исследования были использованы при разработке ГОСТа, подготовке уч< ных курсов в Алтайском государственном техническом университете им. И.И. Ползунова і Новосибирском государственном университете и легли в основу написания учебного пособш
Апробация работы. Результаты исследования докладывались на Объединенном сем наре по горению и аэрозолям Института химической кинетики и горения СО АН СС( (Новосибирск, 1979-1997), II Всесоюзном научно-техническом семинаре "Сжигание топлив минимальными вредными выбросами" (Таллин, 1978), VI Международном симпозиуме і процессам горения (Карпач, Польша, 1979), VI и VII Всесоюзных научно-практических конф ренциях 'Торение и проблемы тушения пожаров" (Москва, 1979 и 1981), Всесоюзной научн
.хнической конференции "Проблемы взрывобезопасностн технологических процессов" ~еверодонецк, 1980), Международном симпозиуме Евромех-139 "Неконтролируемые взрывы промышленности" (Обериствис, Великобритания, 1981), Научной конференции посвященной 0-летию Алтайского университета (Барнаул, 1983), Международном семинаре "Атомно-одородная энергетика и технология" (Москва, 1984), VIII Всесоюзном симпозиуме по горе-ию и взрыву (Ташкент, 1986), XXI Международном симпозиуме по горению (Мюнхен, ФРГ, 986), Всесоюзной конференции "Теплообмен в парогенераторах" (Новосибирск, 1988), ХШ Іеждународном коллоквиуме по динамике взрывов и реагирующим системам (Нагойя, Япо-ия, 1991), Юбилейной научно-практической конференции посвященной 50-летию Алтайского олитехнического института (Барнаул, 1992), Международной научно-технической конференції "Совершенствование быстроходных дизелей" (Барнаул, 1993), Международной научной энференции 'Экономика и экология: антагонизм или сотрудничество" (Барнаул, 1994), Меж-^народной научно-технической конференции "Совершенствование рабочих органов сельхоз-ашин и агрегатов" (Барнаул, 1994), Международной научно-технической конференции Зузовская наука на международном рынке научно-технической продукции" (Барнаул, 1995), Іежвузовской научно-практической конференции "Транспортные средства Сибири. Состояние проблемы" (Красноярск, 1995), III Международной школе-семинаре 'Эволюция дефектных груктур в конденсированных средах" (Барнаул, 1996), Всероссийской научно-технической энференции 'Экспериментальные методы в физике структурно-неоднородных сред" (Барнаул, ?9б), 53-й и 55-й научно-технических конференцииях Алтайского государственного техниче-сого университета (Барнаул, 1995 и 1997), V и VI Международных научно-практических се-ииарах "Совершенствование мощностных, экономических и экологических показателей ДВС" іладииир, 1995 и 1997), XI Симпозігуме по горению и взрыву (Черноголовка, 1996), Между-іродной научно-технической конференции "Двигатель-97" (Москва, 1997) и Объединенном :минаре институтов СО РАН по проблемам горения (Новосибирск, 1998).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 66 печатных работ, в том числе 35 атей и учебное пособие, написан научно-технический отчет и получены два авторских свиде-льства на изобретения. Еще в трех учебных пособиях рассматриваются диссертационные ма-риалы. Основное содержание диссертации отражено в 50 работах, список которых приведен конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, щека литературы и приложения. Всего 396 страниц, в том числе работа содержит 270 маши-тисных страниц основного текста, 10 таблиц, 56 рисунков, приложение и библиографию, лючающую 499 источников.