Образование окисла азота при горении водорода в сверхзвуковом потоке
ОБРАЗОВАНИЕ ОКИСЛА АЗОТА ПРИ ГОРЕНИИ ВОДОРОДА В СВЕРХЗВУКОВОМ ПОТОКЕ.
Выполнила: студентка 4 курса Рамазанова К. М. Руководитель: д.т.н. проф. Жапбасбаев У. К.
1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2. Физико-математическая модель течения . . . . . . . . 5
3. Обсуждение результатов . . . . . . . . . . . . .. 11
4. Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . .. 14
5. Литературы . . . . . . . . . . . . . . . . .. 15
Теоретическое и экспериментальное изучение горения водорода всверхзвуковых течениях вызывает затруднения. Теоретическое исследованиеослажнено тем, что закономерности горения при сверхзвуковых скоростяхопределяются интенсивностью процессов турбулентного обмена, скоростямихимических реакций в потоке и влиянием газодинамических эффектов,сопровождающих тепловыделение. При этом каждый из перечисленных факторовможет оказать существенное влияние на процес горения. Для числа Маха 6провести полномасштабные эксперменты в лабораторных условиях практическиневозможно. Поэтому важное значение приобретает разработка надежногорасчетно- теоретического метода анализа горения в сверхзвуковых потоках. Из экспериментальных данных [1] следует, что смешение струиводорода со спутным потоком воздуха является одним из главных условийреализации сверхзвукового горения водорода. Подробные экспериментальные данные о турбулентной структуресверхзвуковых сдвиговых течений позволили изучить закономерноститурбуленного смешения [2] и оценить применимость современных моделейтурбулентности для их описания. В частности, установлена слабая анизотропиятурбулентности в зоне смешения двух сверхзвуковых потоков [2]. В работе [3] расчеты горения звуковой пристенной струи водорода всврхзвуковом потоке ( М = 2,44; T = 1270К ) проводились при условияхэкспериментов, описанных в [4], где тангенциальный выдув водородаосуществлялся при статическом давлении, примерно, равном статическомудавлению набегающего потока ( Р = 105 Н м2 ). Полученные данные безвоспламенения водорода, когда внешний поток не содержал кислорода (), а при горении водорода состав воздуха составлял Как показывают экспериментальные данные, при горении водорода ввысокоэнтальпийном потоке воздуха температура смеси в зоне горениядостигает (2600-2800)К. Такие высокие температуры газовой смеси вызываютокисление молеекулы азота находящегося в составе воздуха. Поэтому,представляет интерес изучения задачи образования окиси азота. Окисление азота, сопровождающегося образованием окиси азота NO,приобрело особое значение в последнее время, связи с экологическимипроблемами. Образование окиси азота неизбежно, когда в качестве окислителяприменяется воздух, содержащий 78% азота. К тому же для обеспечения полнотыгорения соотношение горючего и воздуха регулируется так, что в продуктахгорения остается некоторый избыток кислорода. При больших концентрациях NO окисляется дальше по реакции .Наличие NO2 легко обнаруживается по желтой окраске дымовых газов. Двуокисьзота NO2 легко поглощается водой или щелочными растворами. Однако окисление является истинной тримолекулярной реакцией и потому при малойконцентрации NO идет весьма медленно. Поэтому особую роль приобретаетпроцесс окисления азота и выяснение тех условий, при которых это реакцияподавлена. В этой курсовой работе изучается механизм образования окиси азота придиффузионном горении водорода в сверхзвуковом потоке воздуха.
Физико-математическая модель течения
Из плоских сопел высотой вытекает струя водорода сосверхзвуковой скоростью в спутный сверхзвуковой поток воздуха,движущийся со скоростью (рис.1). Газы струи и спутного потока могутбыть однородными или отличаться молекулярными весами, в частности, в струе– смесь водорода с азотом, в потоке – воздух. Вследствие симметричноститечения, ось направлена вдоль плоскости симметрии струи, ось -перпендикулярно ей. Так как система спутных струй периодическиповторяющаяся, то можно выделить полосу шириной , ограниченнуюплоскостями симметрии струи и смежного воздушного потока и рассматриватьрешение задачи в этой области, заменив отброшенную симметрии вдольплоскостей и (влияние трения на стенках канала не учитывается)[5]. Течение во всей области предполагается сверхзвуковым, газсчитается вязким, теплопроводным, химически реагирующим, а режим течения –турбулентным. Для описания осредненного течения воспользуемся параболизованнойсистемой уравнений Навье-Стокса осредненного по Рейнольдсу, которую можнозаписать в следующем виде: уравнение неразрывности:
(1) уравнения движения: , (2)
, (3) уравнение энергии:
уравнение переноса вещества:
Рисунок 1. Схема течения
где - удельная внутренняя энергия, - продольная и поперечнаясоставляющие скорости, - плотность, - давление, - массоваяконцентрация - компонента, - скорость образования -компонента,- коэффициент вихревой турбулентной вязкости, -турбулентные аналоги чисел Прандтля, Шмидта. Все величины входящие в уравнение (1) - (5), безразмерные. Вкачестве масштабов выбраны: скорость , плотность водорода ,высота . Координаты отнесены к , компоненты скорости и к , плотность к , давление к , удельнаявнутренняя энергия к , турбулентная вязкость к .
Уравнение состояния совершенного газа записывается в виде
где - молекулярная масса -го компонента смеси: -универсальная газовая постоянная. Полная энергия
где - удельная теплоемкость при постоянном объеме. Коэффициент турбулентной динамической вязкости определялся наоснове однопараметрической - модели турбулентности:
, (8)где - длина пути смешения. Кинетическая энергия турбулентности находиться из уравнения
Константы модели принимают следующие значения:
- определяется из эмпирического выражения
где - соответственно, максимальное и минимальное значениепродольной скорости в данном сечении.
Скорость горения водорода в воздухе и образование окисления азотаописывается механизмом , в котором учтены концентрации шести активныхвеществ () [6]:
Система уравнений (1) – (10) интегрировалась при следующихграничных условиях: