Серещенко Е.В.   Фурсенко Р.В.   Минаев С.С.  

Численное исследование особенностей воспламенения предварительно перемешанных смесей газов в трехмерных вихревых потоках

Докладчик: Серещенко Е.В.

Инициирование горения предварительно перемешанных газовых смесей в турбулентных потоках является одной из наиболее значимых проблем в теории горения. Это связанно с тем, что процесс воспламенения горючей смеси играет важную роль во многих прикладных задачах, таких как, сжигание различных топлив в ДВС, изменение режимов работы двигателей для получения максимальной эффективности и стабильной работы. В практических устройствах, зажигание обычно происходит в потоках с сильной турбулентностью, и поэтому содержит в себе широкий спектр временных и пространственных характеристик. Поэтому, фундаментальное понимание процессов воспламенения в таких условиях имеет решающее значение для оптимизации систем зажигания. Для устройств, требующих инициирования горения в заранее определенное время и в заданном месте, наиболее важной характеристикой является минимальная энергия зажигания. Несмотря на большое количество работ посвящённых исследованию процессов зажигания в турбулентных потоках, эта важная и широко изученная проблема все еще имеет много нерешенных фундаментальных задач. Это связано с тем, что детальное моделирование турбулентного горения сопряжено со значительными трудностями, связанными со сложным взаимодействием химической кинетики, гидродинамики, радиационных теплопотерь и тепломассопереноса. Кроме того, на основе детального численного моделирования, может быть трудно выделить наиболее важные физические процессы, регулирующие процессы воспламенения и распространения пламени. Однако, как показано в работах [1, 2], основные характеристики воспламенения и погасания пламени в турбулентных потоках могут быть хорошо описаны в рамках диффузионно-тепловой модели с заданным полем течения, грубо описывающим основные особенности турбулентного течения.
В данной работе использовались аналогичные подходы и представлены результаты трехмерного численного моделирования воспламенения пламени в вихревом течении, описываемом не зависящим от времени полем течения ABC – flow, в кубе с периодическими граничными условиями. В результате исследования были получены зависимости энергии зажигания от интенсивности турбулентности, размеров вихрей и числа Льюиса. Оказалось, что в крупномасштабном вихревом потоке энергия зажигания почти постоянна до тех пор, пока интенсивность турбулентности не превысит критическое значение. Для скоростей, превышающих это критическое значение, энергия зажигания быстро возрастает. Численные результаты показали, что при фиксированной амплитуде скорости потока АВС-flow существует характерный размер вихрей, соответствующий максимальной энергии воспламенения. В отличие от двумерного случая [3], это критическое волновое число зависит от интенсивности турбулентности и числа Льюиса. Показано, что энергия зажигания меняется очень медленно для чисел Льюиса от 0.3 до 1.2, а затем быстро возрастает. Полученные результаты качественно совпадают с экспериментальными данными, имеющимися в литературе [4,5], и с предыдущими теоретическими результатами, полученными для инициирования сферического пламени в покоящихся смесях [6,7]. Отсюда можно сделать вывод, что диффузионно-тепловая модель в сочетании с заданным полем течения позволяет получить результаты, которые качественно согласуются с экспериментальными наблюдениями процессов воспламенения в турбулентных потоках.


[1] L. Kagan, G. Sivashinsky, Combust. Flame 120 (2000) 222–232.
[2] I. Brailovsky, G. Sivashinsky, Phys. Rev. E 51 (1995) 1172–1183.
[3] Sereshchenko E, Fursenko R, Minaev S, Shy S, Combus. Science and Technology 186(10-11) (2014) 1552–1561.
[4] C. C. Huang, S. S. Shy, C. C. Liu, Y. Y. Yan, Proc. Combust. Inst. 31 (2007) 1401–1409.
[5] S. S. Shy, C. C. Liu, W. T. Shih, Combust. Flame 157 (2010) 341–350.
[6] L. He, Combustion Theory and Modelling 4(2) (2000) 159–172.
[7] C Zheng, B Michael, J Yiguang, 47th AIAA Aerospace Sciences Meeting Including The New Horizons Forum and Aerospace Exposition, American Institute of Aeronautics and Astronautics, January 5–8, Orlando, FL, (2009).


К списку докладов