Белорусский государственный университет

УТВЕРЖДАЮ

Ректор Белгосуниверситета

________________ В.И. Стражев

«____» ___________ 200_ г.

Регистрационный № ____

«Физика горения»

Учебная программа для специальности 1-31 04 01 «Физика»

МИНСК

2006

Составитель:

О.С. Рабинович – ведущий научный сотрудник Института тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова НАНБ, доктор физико–математических наук.

Рецензент:

Н.А.Карбалевич – доцент кафедры энергофизики Белорусского государственного университета, кандидат физико–математических наук.

Рекомендована

к утверждению в качестве базовой:

Кафедрой энергофизики Белорусского государственного университета (протокол № 6 от « 20 » декабря 2006 г.);

Советом физического факультета Белорусского государственного университета (протокол № от « » 2007 г.).

Ответственный за редакцию: Рабинович О.С.

Ответственный за выпуск: Рабинович О.С.

I. ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Курс «Физика горения» посвящен одному из наиболее интересных, с точки зрения теории, и важных для человеческой практики физико-химических явлений. Применение горения в энергетике, промышленности и технике чрезвычайно широко. Путь решения многих энергетических и экологических проблем, с которыми сталкивается человечество, - это оптимизация процессов горения в энергетических установках, в различных типах тепловых двигателей, в аппаратах для переработки природных топлив. Кроме энергетических приложений, важной областью применения горения является переработка и синтез материалов (агломерация руд, внутрипластовое сжигание нефти, самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) тугоплавких материалов).

Знакомство с основами теории горения является неотъемлемой частью образований для студентов физико-энергетических и теплофизических специальностей. Круг вопросов, затрагиваемых теорией горения чрезвычайно широк - это различные аспекты физики, физической химии, аэродинамики, а также ряда технических дисциплин (энергетика, двигателестроение, синтез материалов). В связи с этим возникает острый вопрос выбора материала для ознакомительного курса, предлагаемого студентам кафедры энергофизики физического факультета. В основе сделанного в данном случае выбора лежит стремление в первую очередь дать слушателям представление об основных типах процессов горения, методах их описания и исследования, о современных направлениях развития теории горения и её приложений. Этот базовый уровень позволит им в дальнейшем естественным образом переходить к исследовательской или практической деятельности в рассматриваемой области. Большое место в курсе уделяется теоретическим основам изучаемых явлений и методам их компьютерного моделирования. В то же время, при изложении теоретических вопросов постоянно уделяется внимание их связи с экспериментальными исследованиями и направлениями развития практических приложений.

Для понимания вопросов, рассматриваемых в данном курсе достаточно знаний, полученных слушателями при изучении общих курсов механики, молекулярной и атомной физики, термодинамики и др. Примерное распределение учебных часов по видам занятий: лекции – 30 часов, контролируемая самостоятельная работа студентов – 6 часов. Форма отчётности — зачет.

II. СОДЕРЖАНИЕ ПРОГРАММЫ

а) Программа лекционного курса

1. Введение

1. Явления горения и взрыва

2. Основные типы пламен

3. История развития теории и практики горения

4. Экспериментальные методы исследования процессов горения

2. Тепловой взрыв - пример критического явления

   1. Пренебрежение начальной скоростью реакции и метод разложения экспонента

   2. Нестационарная теория теплового взрыва.

   3. Стационарная теория теплового взрыва

   4. Очаговое воспламенение

   5. Период индукции и поправка на выгорание

3. Термодинамика процессов горения

   1. Законы термодинамики в применении к реагирующим системам

   2. Стандартные энтальпии образования соединений

   3. Критерии равновесия и термодинамические переменные

   4. Равновесие в газовых смесях; химический потенциал

   5. Определение адиабатической температуры пламени

   6. Таблицы термодинамических данных

4. Химическая кинетика горения

   1. Теория скоростей элементарных молекулярных реакций

   2. Соотношение скоростей прямой и обратной реакций – закон действующих масс

   3. Зависимость констант скорости реакций от температуры и давления

   4. Унимолярные реакции

   5. Упрощенные модели химической кинетики и их анализ

   6. Гетерогенные реакции

   7. Цепные реакции

   8. Механизмы окисления топлив

5. Ламинарные пламена предварительно перемешанной смеси

   1. Дефлаграционные пламенна. Пример – Бунзеновское пламя.

   2. Математическая формулировка задачи

   3. Приближенные методы решения задачи. Решение Зельдовича. Асимптотические решения.

   4. Структура пламени

   5. Скорость распространения пламени

6. Ламинарные пламена в системах без предварительного смешения реагентов

   1. Диффузионные пламена. Пример – пламя Бурке_Шумана

   2. Модели диффузионных пламен

   3. Горение конденсированных топлив с испарением

   4. Горение одиночной капли горючего

   5. Горение во встречных потоках реагентов

7. Нестационарные явления в медленных пламенах

   1. Модели зажигания пламен. Зажигание накаленной поверхностью

   2. Искровое зажигание

   3. Пределы горения

   4. Пределы горения в цепных пламенах

   5. Устойчивость пламени. Типы неустойчивости фронта пламени

8. Компьютерное моделирование пламен методами вычислительной гидродинамики (CFD-моделирование)

   1. Законы сохранения и основные уравнения в реагирующих потоках

   2. Методы интегрирования кинетический уравнений

   3. Методы интегрирования уравнений гидродинамики и тепло- и массообмена

   4. Пакеты прикладных программ для моделирования процессов горения

   5. Возможности и структура прикладного пакета CHEMKIN

9. Горение в турбулентных потоках

   1. Модели турбулентности. Вероятностное описание. Масштабы турбулентности

   2. Методы моделирования турбулентного горения

   3. Турбулентное горение в предварительно смешанных системах

   4. Турбулентное горение в системах без предварительного смешения

10. Горение в пограничном слое

    1. Горение в стационарном двумерном пограничном слое

    2. Горение защитных покрытий

    3. Зажигание предварительно смешанной смеси при обтекании тел

    4. Горение в струях

    5. Горение в сверхзвуковых пограничных слоях

11. Горение двухфазных потоков

    1. Горение ансамбля капель

    2. Многокомпонентные капельные смеси

    3. Горение угольных частиц

    4. Горение металлических частиц

    5. Горение в кипящем слое

    6. Пакет для моделирования процессов горения в кипящем слое MFIX

12. Горение в сверхзвуковых потоках

    1. Уравнения горения в потоках сжимаемых сплошных сред

    2. Акустические свойства пламен. Пульсационное (вибрационное) горение

    3. Детонационное горение

    4. Стационарная одномерная детонация

    5. Неустойчивая трехмерная детонация

    6. Инициирование детонации. Переход от детонации к дефлаграции

13. Горение конденсированных систем и синтез материалов

    1. Самораспространяющийся высокотемпертаруный синтез (СВС). Горение порошковых смесей

    2. Модели гетерогенного горения твердофазных смесей.

    3. Синтез материалов в волне горения

    4. Роль структуры системы, процессов диффузии и теплообмена в горении порошковых смесей

    5. Перколяционное горение

14. Фильтрационное горение (ФГ)

    1. Фильтрационное горение конденсированных систем. Примеры использования

    2. Различные типы структур волн ФГ конденсированных систем

    3. Сверхадиабатические режимы ФГ

    4. Фильтрационное горение газов и его применения

    5. Сверхадиабатическое горение сверхбедных и сверхбогатых смесей

15. Экологические аспекты горения

    1. Механизмы образование окислов азота

    2. Уменьшение выхода NO за счет модификации процесса гогрения

    3. Каталитическое горение

    4. Образование углеводородов и сажи и пути его снижения

б) Рекомендуемые темы для самостоятельной работы (рефераты)

1. Расчет равновесного состава горючей смеси и адиабатической температуры горения для метано-воздушных смесей.

2. Тепловые режимы работы реактора идеального смешения.

3. Тепловые режимы гетерогенных экзотермических реакций.

4. Теория ламинарного пламени Зельдовича. Расчет нормальной скорости горения водородно-кислородного пламени и сравнение с экспериментальными данными.

5. Сверхадиабатические волны горения.

6. Перколяционное горение.

7. Горение в слоистых конденсированных системах.

8. Пространственная структура детонационных волн.

III. РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

а) Основная

1. Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. - М.: Наука, 1987. - 502 с.

2. Варнатц Ю., Маас У., Диббл Р. Горение. Физические и химические аспекты, моделирование, эксперименты, образование загрязняющих веществ / Пер. с англ. Г.Л. Агафонова. Под ред. П.А. Власова. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. - 352 с.

3. Зельдович Я. Б., Баренблатт Г. И., Либрович В. Б., Махвиладзе Г. М. Математическая теория горения и взрыва. – М.: Наука, 1980.

4. Зельдович Я. Б., Райзер Ю.П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. – М., Наука, 1966. – 688 с.

б) Дополнительная

1. Law C.K. Combustion physics. – Cambridge University Press, 2006. – 742 p.

2. Kee R.J., Coltrin M.E., Glaborg P. Chemically reacting flow. Theory and practice. – Wiley Interscience/John Wiley & Sons, 2003. – 860 p.

3. CHEMKIN. Getting Started with Chemkin. – Reaction Design, 2006. – 156 p.

4. CHEMKIN. Theory Manual. – Reaction Design, 2006. – 274 p.

5. Syamlal M., Rogers W., O’Brien Th. J. MFIX Documentation. Theory Guide. - U.S. Department of Energy, 1993. – 57 p.