Разработка вычислительного эксперимента по физике горения в высшем учебном заведении

Высшее учебное заведение - это учебное учреждение, где помимо подготовки высококвалифицированных кадров, проводятся исследования в различных областях науки и техники. Для физиков в настоящее время является актуальной проблемы экологической безопасности города [1]. В свете атмосферного загрязнения мегаполисов производственными и транспортными средствами, изучение процессов горения, также исследования по минимизации вредных выбросов в окружающую среду приобретает важную роль в физике.

В целях подготовки квалифицированных инженеров в области теплофизики студенты изучают курс численного метода теплофизики, где широко охвачен процесс горения. Ввиду того, что лабораторный курс дисциплины наиболее сложно поставить в стенах университета, лабораторные работы были разработаны для вычислительного эксперимента. Виртуальный лабораторный комплекс выполняется вычислительным методом при помощи программы KIVA-II. Она позволяет полностью описывать процесс горения, с учетом полей концентраций, температуры, летучих компонентов, также концентрации вредных выбросов.

Рассмотрим, к примеру, один из работ по вычислительному эксперименту [2]. В работе исследуется процесс горения жидкого топлива: тетрадекана и гексодекана; влияние значения массы впрыскиваемого топлива на распределение капель по радиусам с высотой камеры сгорания. Сначала студенты задают вид жидкого топлива; размеры камеры. Предполагается что исследуемое топливо при температуре 300 К впрыскивается в камеру сгорания (рис.1) через круглое сопло, расположенное в центре нижней части камеры. Камера сгорания представляет собой цилиндр высотой 15 см и радиусом 2 см, заполненный воздухом при температуре 900 К и при давлении 32 бара.

После впрыска происходит быстрое испарение топлива, пары топлива смешиваются с окислителем, и сгорание осуществляется в газовой фазе. Процесс горения жидкого топлива является быстро протекающим, его длительность составляет в среднем 4 мс [3]. Все данные после вычисления могут быть представлены в графическом виде, также в виде анимации. Все расчеты выполняются каждым студентом индивидуально, что минимизирует такие факты как использование чужих данных, также учит студентов к самостоятельному решению поставленной задачи.

Анализируя распределение капель по радиусам при впрыскивании тетрадекана (рис.2), видно, что с увеличением времени распыла радиус капель увеличивается, что свидетельствует о соударении и слиянии частиц. При этом капли топлива распространяются на 1,8 см по длине и 0,3 см по ширине камеры сгорания. К моменту времени t=8.94-10 4C (рис. 2 в) капли практически испарились и занимают только нижнюю часть камеры.

При сравнительном анализе рисунка 4 мы видим, что воспламенение возникает в одинаковый момент времени и на одной высоте относительно камеры, но очаг воспламенения для татрадекана занимает больший объем по ширине камеры. Однако процесс горения гексодекана в камере сгорания проходил быстрее и с большим выделением тепла, чем для тетрадекана. По оканчанию работы студенты предоставляют результаты в виде презентационного слайда.

По анализу проделанной работы в целом можно сделать заключение о протекающих процессах в камерах сгорания ТЭЦ, о параметрах веществ при горении, что трудно было бы узнать экспериментальным методом. Таким образом вычислительный эксперимент является наиболее эффективным и малозатратным при изучении процессов горения.

 

Литература:

  1. A.S. Askarova, S.A. Bolegenova, М.Т. Beketayeva, etc. Numerical experimenting of combustion in the real boiler of CHP / International Journal of Mechanics”. ISSN: 1998-4448, Issue 3, Volume 7, 2013, Pages: 343-352.
  2. A.C. Аскарова, С.А. Болегенова, И.В. Локтионова, М.Ж. Рыспаева Физика горения. Учебное пособие для студентов / Алматы: КазНУ им. аль-Фараби, 2009. - 130 с.
  3. А.С. Аскарова, С.А. Болегенова, И.Э. Волошина, М.Ж. Рыспаева Влияние массы впрыска жидкого топлива на его самовоспламение и горение. Известия HAH PK, серия физико- математическая, №2(264,) 2009, с. 3-11.
Год: 2014
Категория: Физика