Илиных Любовь,МБОУ «Лицей № 124», 10 класс. Научный руководитель: В.А. Рыбицкая, учитель физики, МОУ «Лицей № 124»,Научный консультант : к.ф.- м.н. ИХКГ СО РАН И.В.Картошова

Влияние температуры горючей смеси на скорость распространения пламени.

Горение

Горение используется человечеством на протяжении более миллиона лет и является одной из древнейших технологий. В настоящее время около 90% всей энергии, потребляемой нашей цивилизацией (выработка электроэнергии, получение тепла, транспорт и т.д.), обеспечивается процессами именно горения. Это обстоятельство и определяет важность и актуальность исследования процессов горения.

Задачи: провести графический анализ экспериментальных литературные данных и результатов моделирования скорости распространения метано-воздушных пламен различного состава.вывести эмпирические формулы зависимости скорости распространения метано-воздушного пламени от начальной температуры провести аналитический анализ полученных зависимостейМетоды исследования: Использование программы Microsoft Excel для построения, аппроксимации зависимостей и вывода эмпирической формулы Практическая значимость: Полученная эмпирическая формула для описания зависимости скорости распространения метано-воздушных пламен от начальной температуры может быть использована для трехмерного моделирования распространения пожаров при добыче и транспортировке природного газ, который на 92-98% состоит из метана.

Актуальность темы обусловлена тем, что для трехмерного моделирования пламен в реальных условиях (например, распространение пожаров в шахтах) требуется создание упрощенных моделей, позволяющих легко предсказывать основные характеристики пламен при различных начальных условиях. Объект исследования – метано-воздушные пламена различного состава.Предмет исследования – скорость распространения племени и влияние на нее начальной температуры горючей смеси.Цель работы – создание упрощенной модели (эмпирической формулы), позволяющей описать скорость распространения метано-воздушных пламен пламени при различных начальных условиях.

Горючее / окислитель

Движение потока

Примеры

Предварительно перемешанная смесь

Турбулентное Ламинарное

Двигатели внутреннего сгорания с искровым зажиганием Плоские пламенаБунзеновские пламена

Предварительно не перемешанная смесь

Турбулентное Ламинарное

Горение распыленного угляДвигатели самолетовДизельные двигатели(Н2 /О2) - ракетные двигатели Горение древесиныИзлучающие горелки для обогреваСвечи

Три зоны ламинарного предварительно перемешанного пламени

К одной из основных характеристик, описывающих ламинарные пламена предварительно перемешанной смеси, относится скорость распространения пламени (U) – скорость, с которой поверхность пламени (фронт пламени) движется относительно несгоревшей смеси.

Начальная температура

Конечная температура

Увеличение температуры

Зона реакций

Продукты горения

U

Горючая смесь

Скорость распространения ламинарного

пламени зависит от следующих факторов:

Состава смеси

Давления

Добавки пламегасителя

Добавки инертного газа

Температуры

Определение зависимости скорости распространения пламени от температуры горючей смеси. Стехиометрическое пламя.

Стехиометрическое пламя. Состав газа: метан СН4 -9.5%, воздух- 90.5% (O2 -19%, N2-71.5%).

T, K 298 300 318 333 353 373

U, см/c 34,21 34,57 37,87 40,77 44,85 49,19

Стехиометрическое пламя. Моделирование с использованием детального кинетического механизма реакций.

T, K 298 308 318 328 343 358 373 388 403

U, см/c

36,4 38,2 39,6 41,8 44,5 48,8 51,9 55,8 59,5

Стехиометрическое пламя. Экспериментальное измерение методом плоской горелки .

Зависимости скорости распространения пламени от температуры

U, см/с

Т, К

По экспериментальным данным: Uстех= 35,91*(T/298)1,65

по данным моделирования : Uстех= 34,43*(T/298)1,61

Усредненная между данными эксперимента и моделирования зависимость имеет следующий вид:

Uстех= 35,2*(T/298)1,63

Таким образом, степень зависимости скорости распространения от температуры для стехиометрического метано-воздушного пламени составляет n ~1.63.

T, K 308 328 348 368

U, см/c

23,9 26,72 29,74 32,9

T, K 298 308 318 328 343 358 373 388 403

U, см/c

26,1 27,2 28,8 30,5 32,7 35,8 38,9 42 45

Бедное пламя. Экспериментальное измерение методом плоской горелки

Определение зависимости скорости распространения пламени от температуры горючей смеси. Бедное пламя.

Бедное пламя. Моделирование с использованием детального кинетического механизма реакций.

Бедное пламя. Состав газа: СН4 -7.6%, воздух- 92.4% (O2 -19,4%, N2-73%).

Зависимости скорости распространения пламени от температуры

U, см/с

Т, К

По экспериментальным данным: Uбедное= 25,46*(T/298)1,84

по данным моделирования : Uбедное= 21,13*(T/298)1,8

Uбедное= 23,3*(T/298)1,82

Согласно проведенным расчетам, в отличает от стехиометрического пламени, степень зависимости скорости распространения от температуры горючей смеси для бедного метано-воздушного пламени составляет n ~1.82.

Усредненная между данными эксперимента и моделирования зависимость имеет следующий вид:

Выводы:

В представленной работе рассмотрено влияние температуры исходной горючей смеси на скорость распространения метано-воздушного пламени (стехиометрического и бедного).

В каждом случае выведены эмпирические формулы, позволяющее рассчитать скорость распространения пламени для различных начальных температур горючей смеси: Uстех= 35,2*(T/298)1,63 Uбедное= 23,3*(T/298)1,82

Эти формулы могут быть использованы для моделирования сложных трехмерных процессов горения.

Интересным фактом является то, что показатель степени меняется при изменении состава горючей смеси, поэтому можно сделать предположение, что, например, введение пламегасителя также будет влиять на величину n. Данное предположение будет рассмотрено при дальнейшем развитие работы.

Литература

•Ю. Варнац, Химия горения , Под ред. У. Гардинер. – М.: Мир, 1988, 474 с.•Химическая энциклопедия. - Москва.: Советская энциклопедия, 1988 г., том 1, С. 593.•R.T.E. Hermanns, A. Konnov, R.J.M. Bastiaans, L.P.H. de Goey, K. Lucka, H. Kцhne, •Effects of temperature and composition on the laminar burning velocity of CH

4 + H2 + O2 + N2 flames.• Fuel, 89(1), 2010, pp.114-121.