Исследование влияния добавки инертных частиц угольной пыли на устойчивость горения пыле-метановоздушной смеси

В данной работе представлены исследования влияния дисперсной фазы на кинетические и тепло-физические параметры газовзвеси. Определены режимы горения метановоздушной смеси в зависимости от массы дисперсной фазы.

Задачей является определение закономерностей воспламенения метановоздушных смесей и распространения фронта пламени в присутствии частиц пыли.
Целью настоящей работы являлось численное исследование влияния массы инертных частиц и скорости подачи смеси на режимы горения 6 % метановоздушной смеси с примесью инертных частиц. При постановке задачи было принято допущение об отсутствии химически активных частиц в пыли. Влияние, оказываемое частицами на горение метановоздушной смеси ограничивалось теплоотводом из фронта горения в дисперсную фазу.

Угольной пыли в газовзвеси являются взрыво- и пожароопасными. Основной ролью инертных частиц является ингибирование, зависящее от размеров и концентрации частиц, их расхода и состава горючих смесей.

В [1] обнаружено влияние скорости распространения пламени от концентрации инертной дисперсной фазы. С увеличением концентрации частиц скорость горения увеличивается. В [2] решена задача о горении метановоздушной смеси с угольной пылью. Угольная пыль уменьшает интенсивность волны горения в стехиометрической смеси. В [3] определены нижний и верхний концентрационные пределы воспламеняемости газовзвесей. Изменение соотношения масс компонентов смеси оказывает влияние на нижний концентрационный предел воспламеняемости смеси [4].

Рассматривается трубка длиной L и высотой h_y. Через трубку протекает 6 % метановоздушная смесь с инертными частицами пыли. Температура смеси равна температуре окружающей среды и равна T₀. Начало координат, X=0, соответствует входу в трубку, правая граница трубки, X=L, соответствует выходу. Задача является одномерной. На левой границе в трубку поступают холодная метановоздушная смесь и частицы угольной пыли радиуса r_k. Угольная пыль состоит из инертных частиц и является ингибитором. Рассматриваемая система является двухтемпературной и двухфазной.

Газ обменивается теплом с инертными частицами по закону Ньютона с коэффициентом теплообмена a. Стенки трубки полагаются теплоизолированными.

Задача описывается системой дифференциальных уравнений параболического типа, в которую входят уравнения: теплопроводности газа, инертных частиц и баланса массы метана в смеси. Начальные условия заданы ступенькой. В первой половине трубки температуры газа и частиц равны 300 K, а относительная массовая концентрация метана равна 0.035. Во второй половине температуры газа и частиц равны 1500 K, относительная массовая концентрация метана равна нулю. На левой границе трубки задано условие третьего рода, на правой второго рода. Данная задача решается методом конечных разностей с неявной схемой аппроксимации уравнений. Шаги по пространству и по времени полагали равными 10⁵.  Схема абсолютно устойчива [5]. Метод проверялся на достоверность расчётов рядом задач. Ошибка составила меньше 1 %.

В расчётах для определении устойчивого горения газовзвеси с инертными частицами угольной пыли варьировались: масса дисперсной фазы и скорость подачи газовзвеси на вход трубки, m=0.01÷0.2 кг, u=0.04÷0.24 м/с.

С увеличением массы дисперсной фазы увеличивается время установления режима горения. При больших массах фронт выносится за пределы трубки. Это связано с тем, что увеличение массы частиц приводит к увеличению теплоотдачи от газа к частицам. Чем меньше масса дисперсной фазы, тем более высокие значения имеет установившаяся температура. Это обусловлено недостатком дисперсной фазы для выхода фронта на стационарный режим горения. Большие массы оказывают большее влияние на характер распространения температуры. На рисунке 1 представлена граница устойчивого горения в координатах «скорость – масса», которая качественно показывает два характерных режима работы трубки. В области I, включая кривую, наблюдается режим устойчивого горения газовзвеси. В области II фронт пламени ведёт себя не устойчиво, область соответствует затуханию горения.

Рисунок 1. Граница устойчивого горения газовзвеси в координатах масса части, m, скорость подачи газа, u.

Заключение

Исследовано влияние дисперсной фазы на кинетические и тепло-физические параметры газовзвеси.

Определены режимы горения метановоздушной смеси в зависимости от массы дисперсной фазы.

Полученные результаты могут быть использованы для расчетов задач горения газов в присутствии дисперсных фаз. Дальнейшее направление исследований предполагает учет химических реакций окислителя с частицами угольной пыли, теплового расширения газа, а так же газодинамических процессов в камере сгорания.

1 Крайнов А Ю. Моделирование распространения пламени в смеси горючих газов и частиц // Физика горения и взрыва. – 2000. – Т. 36, № 2. – С. 3–9.
2 Туник Ю. В. Моделирование медленного горения метановоздушной газовзвеси угольной пыли // Физика горения и взрыва. – 1997. – Т. 33, № 4. – С. 46–54.
3 Ингибирование пламени метана взвесями солей / А. Н. Баратов [и др.] // Физика горения и взрыва. – 1976. – № 1. – С. 72–75.
4 Калякин С. Влияние примесей шахтных горючих газов на взрывоопасность угольных аэрозолей / С. Калякин [и др.] // Aktualne problemy zwalczania zagroźeń górniczych : II konferencja naukowo-techniczna, 7–9 list. 2012. – Brenna, 2012. – С. 176–184.
5 Численные методы в задачах теплопереноса : [учеб.-метод. пособие] / А. Ю. Крайнов [и др.]. – Томск : Изд-во Том. ун-та, 2009. – 111 с.

This paper presents the research of the dispersed phase influence on the kinetic and thermal physical parameters of the gas suspension. Defined modes combustion of methane mixture depending upon the weight of the dispersed phase.