Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
Использование газообразных топлив в энергетике приобретает все большее распространение на практике. В том числе отдельный интерес представляет использование водорода [1], являющегося наиболее химически активным и наименее детонационностойким газообразным топливом. При этом необходимость хранения больших объемов горючих газов и их транспортировки определяет важность обеспечения надежных мер взрывобезопасности. При утечке горючих газов, наполнении ими помещений промышленного объекта и смешении с воздухом высока вероятность взрыва формируемой смеси [2, 3]. Обычно наиболее опасным сценарием развития газового взрыва считается сценарий с развитием детонации [4]. Однако стоит заметить, что неменьшую опасность представляют сценарии с развитием дефлаграционного горения, являющегося неустойчивым по своей природе и распространяющегося в замкнутом объеме с ускорением. Ускорение волны дефлаграции сопровождается сжатием газа и формированием ударных волн, что воздействует на элементы конструкций, становясь фактором риска их деформации и последующего разрушения [2].
Среди многообразия сценариев нестационарного развития горения можно выделить следующие базовые сценарии: ускорение пламени в открытом пространстве, ускорение пламени в канале и ускорение пламени в загроможденном объеме. В первом случае ведущим механизмом ускорения пламени является развитие неустойчивости фронта расходящегося пламени [5]. При горении в канале определяющую роль в ускорении пламени играет взаимодействие с потоком, формирующимся в результате расширения продуктов горения в ограниченном объеме. При использовании каналов с шероховатыми стенками и тем более при наличии препятствий внутри канала, турбулизация потока может проявляться уже и на ранних стадиях, что способствует более интенсивному ускорению пламени. независимо от геометрии канала и как следствие условий развития пламени, в некоторых составах ускорения пламени не наблюдается. В первую очередь это касается обеденных и низкоактивных смесей, где максимально достижимая скорость пламени оказывается значительно ниже скорости звука [6]. В связи с этим в настоящей работе рассматривается вопрос определения критической концентрации водорода, необходимой для ускорения пламени.
Исследование проводилось методом численного моделирования процесса распространения пламени в канале. Рассмотрена классическая постановка задачи о распространении пламени в полуоткрытом канале при инициировании горения точечным источником вблизи закрытого торца (рис. 1). Ширина канала составляла 10 мм, как это было принято ранее в работе [7].
В качестве газообразного топлива рассматривается водород в смесях с воздухом и с кислородом, а его концентрация варьируется до достижения критической концентрации водорода, необходимой для ускорения пламени. Для воспроизведения количественных особенностей горения смеси заданного состава используется полная газодинамическая модель реагирующей газообразной среды и детальный кинетический механизм окисления водорода, представленный в работе [8].
Газодинамика процесса рассчитывается на основе полной системы уравнений динамики вязкой сжимаемой среды с учётом теплопроводности, многокомпонентной диффузии и экзотермических химических превращений [9]. Расчеты проводятся с использованием хорошо зарекомендовавшего себя [10] вычислительного алгоритма на основе бездиссипативной вычислительной методики КАБАРЕ, представленной в работе [11].
На рис. 2, а представлена зависимость скорости ведущей точки фронта пламени D от безразмерной переменной , где и — оордината вдоль оси канала и время соответственно, — нормальная скорость горения, для различных концентраций водорода в смесях с воздухом. Полученные фазовые траектории имеют немонотонный характер, что определяется стадиями нестационарного развития пламени в канале [7]. В конце рассмотренного периода времени пламя либо стабилизируется (конец кривой черного цвета на рис. 2, а) либо начинает ускоряться (концы кривых синего и красного цвета на рис. 2, а). Полученный результат указывает на то, что критическая концентрация водорода, необходимая для ускорения пламени, находится в промежутке между 11,04 % и 11,51 %.
Проведя аналогичное исследование для водород-кислородной смеси, можно заключить, что критическая концентрация водорода, необходимая для ускорения пламени, находится в том же промежутке, что и для водород-воздушной смеси (рис. 2, б). Полученный результат может указывать на то, что концентрационный предел ускорения пламени в водород-кислородных смесях с разбавлением азотом слабо зависит от концентрации азота в рассматриваемых смесях, но данное утверждение требует дополнительного исследования.
Представленные в работе расчеты показывают, что критическая концентрация водорода, необходимая для ускорения пламени, составляет 11,27 ± 0,23 % содержания водорода как в водород-воздушной смеси, так и в водород-кислородной смеси. На основании полученных результатов можно сделать вывод о влиянии концентрации азота в смеси водород-кислород на концентрационный предел реализации ускоренных режимов горения, что однако требует дополнительного изучения.
