Сборник тезисов 9-ой Международной научной конференции «современные достижения физики и фундаментальное физическое образование»
ФОРМИРОВАНИЕ ПЫЛЕВЫХ ВОЙДОВ В ПЛАЗМЕ РАЗРЯДА
жүктеу/скачать 11,53 Mb. Pdf көрінісі
|
- Бұл бет үшін навигация:
- Dear authors!
- Thermal Physics and Technical Physics
- БКЗ-420-140-7C ЖАНУ КАМЕРАСЫНДАҒЫ КӨМІРДІҢ ТУРБУЛЕНТТІК ЖАНУЫН КОМПЬЮТЕРЛІК МОДЕЛДЕУ Ə.С.Асқарова, С.Ə.Бөлегенова, А.Бекмұхамет, Ш.Оспанова, Ж.Нағашыбай
ФОРМИРОВАНИЕ ПЫЛЕВЫХ ВОЙДОВ В ПЛАЗМЕ РАЗРЯДА ПОСТОЯННОГО ТОКА А.В. Федосеев 1 , Г.И. Сухинин 1 , М.В. Сальников 1 , А.М. Ростом 1 , А.Р. Абдирахманов 2 , М.К. Досболаев 2 , Т.С. Рамазанов 2 1 Институт Теплофизики СО РАН, Новосибирск, Россия 2 НИИЭТФ, КазНУ им. Аль-Фараби, Алматы, Казахстан Пылевая (или комплексная) плазма является частично ионизованным газом, содержащим частицы дисперсной фазы микро- и нано- размеров (пылевые частицы) [1]. Возросший в по- следнее время интерес к изучению пылевой плазмы связан с тем, что формирующиеся в этой среде плазменно-пылевые структуры являют собой пример сильно связанной системы, дос- тупной к наблюдению на кинетическом уровне, то есть на уровне поведения отдельных час- тиц среды. Преимуществом этой среды является простота наблюдательной техники (частицы и межчастичные расстояния легко разрешаются в видимом свете) и быстрота установления структур (характерное время формирования плазменно-пылевых структур лежит в диапазоне от секунды до нескольких минут). Отдельно стоящим вопросом в комплексной плазме является явление образования различных пылевых структур в плазме высокочастотного или тлеющего разряда постоянного тока в условиях микрогравитации [2,3]. Сила земного притяжения столь велика, что микро- частицы, помещенные в плазму, оказываются очень сильно сжаты в вертикальном направле- нии. Однако, в отсутствии силы тяжести микрочастицы могут занимать весь плазменный объем, и тогда возникает возможность создания изотропных, однородных трехмерных сис- тем. Новая серия экспериментов на борту Международной Космической Станции (МКС) по исследованиям пылевой (комплексной) плазмы стартовала в 2014 году и запланирована на ближайшие несколько лет в рамках международного проекта «Плазменный Кристалл - 4» (ПК-4). Эксперименты направлены на фундаментальные исследования пылевой плазмы тлеющего разряда постоянного тока в условиях, когда пылевые частицы не подвержены дей- ствию силы гравитации, и позволят смоделировать и провести наблюдения различных физи- ческих явлений. В ходе проведения предварительных экспериментов были получены данные по возможному образованию войдов на оси разрядной трубки в разряде постоянного тока. Структура пылевой плазмы имела однородный вид вдоль разряда, и в радиальном направле- ние на оси разряда пылевые частицы отсутствовали, а пылевой облако образовывалось на некотором удалении от оси разряда. Такая структура разряда делает возможность его моде- лирования строго в одномерной постановке. В работах [4,5] была представлена самосогласованная модель положительного столба тлеющего разряда постоянного тока с пылевыми частицами для радиальных распределений параметров плазмы разряда и пылевой компоненты в аксиально однородном тлеющем разря- де. Необходимо отметить, что структура пылевой плазмы, получаемой в разряде постоянного тока в рамках проекта ПК-4, имеет однородный вид вдоль разряда, что дает возможность его моделирования строго в одномерной (радиальной) постановке. Было показано, что иониза- ционный баланс в разряде с пылевыми частицами имеет существенно нелокальное поведе- ние, в области пылевого облака степени ионизации и рекомбинации сравниваются друг с другом, радиальные потоки электронов и ионов становятся равными нулю, а радиальное электрическое поле вытесняется из области пылевого облака. Было показано, что, если на пылевые частицы действует сила ионного дрэга, превышающая электростатическую силу, в центре разрядной трубки могут возникать войды (области без пылевых частиц). 9-ші Халықаралық ғылыми конференция «Физиканың заманауи жетістіктері Алматы, Қазақстан, 12-14 қазан,2016 жəне іргелі физикалық білім беру» ______________________________________________________________________________________________________ 119 В работах [6,7] были представлены первые экспериментальные данные по образова- нию войдов на оси разряда в режиме постоянного в стратах положительного столба в усло- виях гравитациитока (НИИ ЭТФ КазНУ). Значения электрического тока разряда в экспери- ментах достигали 20 мА (типичные значение тока разряда в пылевой плазме 1 мА). С ростом тока разряда форма войда становилась более выраженной, а радиус войда увеличивался. Бы- ло показано, что войд будет усиливаться с уменьшением плотности газа и увеличением ра- диуса пылевых частиц. [1] ФортовВ.Е., ХрапакА.Г., ХрапакС.А., МолотковВ.И., ПетровО.Ф. Пылеваяплазма // Ус- пехифизическихнаук.Т. 174, № 5. С. 495-544 (2004) [2] V. Fortov et al., The project 'Plasmakristall-4' (PK-4) - a new stage in investigations of dusty plasmas under microgravity conditions: first results and future plans // Plasma Phys. Contr. Fusion 47, B537 (2005); [3] M.H. Thoma et al., PK-4: Complex Plasmas in Space - The Next Generation // IEEE Trans. Plasma Sci. 35, 255 (2007); M.H. Thom et al., Recent Complex Plasma Experiments in a DC Dis- charge // IEEE Trans. Plasma Sci. 38, 857 (2010) [4] G. I. Sukhinin, A. V. Fedoseev, S. N. Antipov, O. F. Petrov, and V. E. Fortov, Dust particle radial confinement in a dc glow discharge. // Phys.Rev.E, V. 87, 013101 (2013). [5] G. I. Sukhinin, A. V. Fedoseev, M.V. Salnikov, S. N. Antipov, O. F. Petrov, and V. E. Fortov, Influence of ion drag force on radial distribution of dust particles and void formation in a DC glow discharge. // EPL, 103, 35001 (2013) [6] A.V. Fedoseev, G.I. Sukhinin, M.K. Dosbolayev, T.S. Ramazanov, Dust-void formation in a dc glow discharge // Physical Review E, 92 (2), 023106 (2015) [7] A.V. Fedoseev, G. I. Sukhinin, A.R. Abdirakhmanov, M.K. Dosbolayev, and T. S.Ramazanov, Voids in Dusty Plasma of a Stratified DC Glow Discharge in NobleGases.// Contrib. Plasma Phys. 56, No. 3-4, 234 – 239 (2016). The 9 th International Conference «Modern achievements of physics and fundamental physical education» October , 12-14, 2016, Kazakhstan, Almaty ______________________________________________________________________________________________________ 120 Dear authors! The best presentations will be recommended for publication in journal "Physical Sciences and Technology» 9-ші Халықаралық ғылыми конференция «Физиканың заманауи жетістіктері Алматы, Қазақстан, 12-14 қазан,2016 жəне іргелі физикалық білім беру» ______________________________________________________________________________________________________ 121 3-СЕКЦИЯ Жылу физикасы және техникалық физика SECTION 3 Thermal Physics and Technical Physics The 9 th International Conference «Modern achievements of physics and fundamental physical education» October , 12-14, 2016, Kazakhstan, Almaty ______________________________________________________________________________________________________ 122 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ УГЛЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАЗ- ЛИЧНЫХ КИНЕТИЧЕСКИХ СХЕМ ФОРМИРОВАНИЯ АЗОТИСТЫХ ВЕЩЕСТВ А.С. Аскарова, С.А. Болегенова, В.Ю. Максимов, М.Т. Бекетаева НИИЭТФ, КазНУ имени аль-Фараби, Алматы, Казахстан Изучение закономерностей химически реагирующих течений имеет фундаментальное значение при построении теории физики горения и взрыва, а также огромную прикладную значимость при создании новых физико-химических технологий и при разработке технологических процессов и систем с рациональным использованием энергетических ресурсов [1-2].В этой связи проведение вычислительных экспериментов по исследованию процессов сжигания топлив является наиболее приемлемым методом, который может дать полную информацию о характере сложных процессов тепломассопереноса без особых фи- нансовых, временных и трудовых затрат [3]. Однако, физико-математическая постановка за- дачи о горении топлива сопровождается рядом сложностей, связанных с построением хими- ческой модели сгорания топлива, с точностью и адекватностью ожидаемых результатов [4]. Горение угольного топлива является сложным физико-химическим процессом, сопро- вождающимся выделением большого количества тепла и продуктов сгорания, где самыми вредными компонентами считаются азотосодержащие вещества. Уголь – это гетерогенный, комплексный минерал, где азот N связан с органическим веществом. Во время цикла углефикации, содержание азота в угольном веществе незначи- тельно меняется. Содержание азота в угле обычно составляет от 0,5% до 2%; в каменных уг- лях от 1% до 2%, в антрацитах 1,5-1,75% и менее 1%. Наличие азота в угле еще полностью не было объяснено и описано. Существуют гораздо больше знаний о структуре серы и кислоро- да, чем о топливном азоте. Трудности, с которыми приходится сталкиваться при исследова- ниях, это структурное содержание азота в твердом топливе. Использование косвенных мето- дов анализа позволило определить присутствие высокотемпературных угольных экстрактов или угольных смол, что в свою очередь повысило значимость проблем химической кинетики формирования окислов азота, а также вопросов расчета образования и выбросов в атмосферу азотистых веществ при сжигании угля. Механизм горения угольного топлива проходит в три этапа: нагрев и сушка, выход ле- тучих веществ и сгорание коксового остатка. При этом происходят интенсивные химические реакции с выделением продуктов сгорания с большими количествами энергии. Окислы азота в угольном факеле производятся десятками видов и сотнями участвующими реакциями по трем известным основным механизмам: термическому, быстрому и топливному. При сжига- нии угля около 85% составляют топливные окислы азота, 0,5% – быстрые окислы азота, а 15% – термические. Термические воздушные оксиды азота образуются при высоких температурах (выше 1600K) по механизму Я.Б. Зельдовича. Скорость образования термических при этом пропор- циональна и зависит, прежде всего, от температурного уровня процесса, а также от концен- трации кислорода. Быстрые воздушные оксиды азота образуются во фронте горения при сравнительно низких температурах (Т~1000K) в результате реакций углеводородных радика- лов с азотом N 2 воздуха и последующего взаимодействия азотсодержащих и кислородсодер- жащих радикалов. При сжигании твердого топлива доля быстрых оксидов азота незначи- тельна (менее 10-15%). Таким образом, при сжигании твердого топлива необходимо подав- лять топливные и термические NOx. Термические окислы азота производятся в высокотемпературных областях при темпе- ратуре выше 1600-1800К, поэтому для нас наибольший интерес представляет изучение фор- мирования окислов азота по топливному механизму. При горении азота, органически связан- 9-ші Халықаралық ғылыми конференция «Физиканың заманауи жетістіктері Алматы, Қазақстан, 12-14 қазан,2016 жəне іргелі физикалық білім беру» ______________________________________________________________________________________________________ 123 ного с топливом, должны учитываться все факторы, которые могут повлиять на протекание химических реакций между топливом и окислителем (кислород в составе воздуха). Такими факторами могут быть: размеры частиц, доля минеральной части в топливе (в частности зольность), избыток воздуха, чувствительность к малым температурным возмущениям в ре- акционной области и другие[5]. Исследования показали, что химическая кинетика для разного ранга углей при различ- ных условиях связана с различными схемами. Влияние многих немаловажных факторов учи- тываются в различных химико-кинетических моделях горения топлив. В работе для изучения их образования и разложения были проведены вычислительные эксперименты с использова- нием двух химических моделей формирования и деструкции окислов азота: De Soete и Mitchell-Tarbell [6-7]. Для моделирования горения был выбран уголь Карагандинского бассейна, который ха- рактеризуется высокой степенью зольности (выше 35%). Его химический состав: С – 33.87%, Н 2 – 6.63%, S – 1.92%, N 2 – 2.23%, O 2 – 9.65%, W – 10.60%, A – 35.1%. Горение топлива была смоделирована для камеры сгорания реальной энергетической установки. Исследования про- водились с использованием пакета компьютерных программ Флореан, разработанного в Германии [8]. В результате исследований были получены расчетные данные по аэродинамике высо- котемпературных потоков, температурные и концентрационные поля. Анализируя результа- ты, можно утверждать, что процесс тепломассопереноса в высокотемпературных потоках зависит от аэродинамической картины и тепловых характеристик процесса горения. А для проведения вычислительных экспериментов по исследованию концентрационных характери- стик формирования окислов азота NOx при сжигании казахстанских углей предпочтитель- ным является использование модели Mitchell-Tarbell. Результаты, полученные в данной работе, имеют значительную прикладную ценность для специалистов инженеров и энергетиков. Использование методики расчета может быть полезно при разработке новых технологических приемов, при создании новых и усовершен- ствовании уже действующих камер сгорания энергетических объектов с целью эффективно- го и экологически чистого сжигания высокозольного угля. Настоящая работа выполнена при финансовой поддержке Комитета науки МОН РК (грант №3481/ГФ4). Литература 1. Askarova A., Bekmukhamet A., Bolegenova S., Ospanova S., Maximov V., Beketayeva M., Ergalieva A.3-D Modeling of Heat and Mass Transfer during Combustion of Solid Fuel in BKZ-420-140-7C Combustion Chamber of Kazakhstan // Journal of Applied Fluid Mechanics. - 2016.- Vol.9, №2. - P.699-709. 2. Askarova A., Maximov V., Beketayeva M., Safarik P., et al. Numerical Modeling of Pul- verized Coal Combustion at Thermal Power Plant Boilers // Journal of thermal science. – 2015. – Vol. 24, issue 3. – P. 275-282. 3. Askarova A., Bolegenova S., Maximov V., Bekmukhamet A, Beketayeva M., Gabitova Z., et al. Computational method for investigation of solid fuel combustion in combustion chambers of a heat power plant // High temperature. – 2015. - Vol. 5, issue 5. – P. 751-757. 4. Askarova A., Bolegenova S., Bolegenova S., Maximov V., Beketayeva M.Influence of boundary conditions to heat and mass transfer processes // International journal of mechanics. - 2016. - Vol.10. - P. 320-325. 5. Glarborg P., Jensen A., Johnsson J. Fuel nitrogen conversion in solid fuel fired systems. Progress in Energy and Combustion Science. 2003. – 29(2). – P. 89–113. 6. De Soete G. Overall reaction rates of NO and N 2 formation from fuel nitrogen // 15th in- ternational symposium on combustion. - Pittsburgh, 1975. – P. 1093-1102. The 9 th International Conference «Modern achievements of physics and fundamental physical education» October , 12-14, 2016, Kazakhstan, Almaty ______________________________________________________________________________________________________ 124 7. Mitchell J., Tarbell J. A kinetic model of nitric oxide formation during pulverized coal combustion // AIChE Jornal. – 1982. – Vol.28. – P. 302–320. 8. Müller H.Numerische Simulation von Feuerungen. CFD.–Vorlesung, TU, 1997. БКЗ-420-140-7C ЖАНУ КАМЕРАСЫНДАҒЫ КӨМІРДІҢ ТУРБУЛЕНТТІК ЖАНУЫН КОМПЬЮТЕРЛІК МОДЕЛДЕУ Ə.С.Асқарова, С.Ə.Бөлегенова, А.Бекмұхамет, Ш.Оспанова, Ж.Нағашыбай Əл-Фараби атындағы ҚазҰУ ЭТФҒЗИ, Алматы, Қазақстан Соңғы 30 жылда пайда болған жылдам ЭЕҚ инженерлік есептерді шешуге теориялық гидромеханиканың жəне жылуберілудің негізгі принциптерін қолданудың сипатын күрт өзгертті. Аналитикалық жəне тəжірибелік сияқты дəстүрлі əдістердің дамуымен қатар, зерттеудің үшінші əдісі – сандық гидрогазодинамика (Computational Fluid Dynamics - CFD) [1] қарыштай дамыды. Түрлі конструкциялар мен ағыстар есептерінде CFD–ді қолдану жобаланған машиналар мен процестерді оңтайландыру уақыты мен шығынды айтарлықтай азайта алды. Тəжірибе сөзсіз маңызды болғанымен, қаржылық шығынның аздығына орай, əсіресе күрделі ағыстар мысалында, жобалау процесінде сандық есептеу əдісін кеңінен қолдану алға шықты. Ал тəжірибені жасау бағасы соңғы уақыттарда тек артуда. Осы орайда сандық тəжірибе жану қазандығында орын алатын күрделі физикалық жəне химиялық құбылыстарды жете талдау мен терең түсінуде экономикалық жағынан ең ыңғайлы, ең оңтайлы əдістердің бірі болды [2-3]. Математикалық моделдеу үшін физикалық жəне химиялық процестердің өтуінің заңдылықтарынан айтарлықтай нақты жəне толық реалды шарттарға неғұрлым жақын мəліметтерге, сонымен қоса тəжірибелерден алынатын физикалық жəне кинетикалық параметрлер туралы мəліметтерге ие болуы керек. Ал атмосфераға шығатын зиянды қалдықтарың көлемі өндіріс орнының жұмыс деңгейіне тікелей байланысты. 1990 жылдан 2000 жылға дейін атмосфераға бөлінетін зиянды қалдықтардың мөлшері өндірістің бəсеңдеуіне байланысты 46 % кеміді. Соңғы жылдары экономиканың көтерілуімен қатар атмосфераға шығатын зиянды қалдық мөлшері де тұрақтанды. Республикамызда ауаға бөлінетін зиянды қалдықтардың мөлшері азайғанымен, адам ағзасына азот диоксиді, күкірт, сутекті күкірт, аммиак, қорғасын, сынап, жəне т.б зиянда заттар əліде болса əсер етуде. Елдегі өндіріс ошақтарына табиғатты қорғау шаралар аясында тиымдар мен ережелерді қолданбаса əліде өте күрделі экологиялық қатердің туындауы əбден мүмкін. Төменде жылу электр орталығының жалпы жұмыс істеу сұлбасы көрсетілген (Сурет-1), қызыл үзік сызықпен қоршалған аумақ сандық есептеудің негізі болып саналатын жану қазандығы орналасқан. Жылу энергетика мен қоршаған ортаның бір біріне қайшылығы кемелді ғылыми техникалық көзқарасты талап етеді. Ал қоршаған ортаға антропогенді əсерді төмендетуге деген ынта отынды тиімді жағу технологиялары мен сапасы төмен отындарды өңдеудің жаңа əдістері қарастырылып, сонымен қатар энергетикалық кешендердің көрсеткіштерін жақсарту үшін атмосфераға бөлінетін зиянды қалдықтардың мөлшерін мейілінше азайту көзделіп тұр. Алматы, Қа _________ 1 Тоза сонымен таңда ҚР- процесін бөлінетін қанағаттан сипаттауға бағытталғ Зер қазандығы қазандығы орталықта атқаруға б Төме тəжірибен (сурет 2). зерттелеті кезегінде интерпрет Суре Алм аэродинам жүргізу. Ж түрлі шы азақстан, 12-1 _____________ – қазандық; Сурет аңды отынд қатар əртү -дағы энерг дамытуды зиянды г ндыруға ба а мүмкінд ған ұсыныс рттеу объек ының жан ы будың арында қыз бағытталған енде БКЗ-4 ні жүргізу ү Сонымен ін нысанны геометрия тациясын ж ет–2 Алмат атылық Ж микалық си Жану қазан ғысының 4 қазан,2016 _____________ 2- фильтр; 3- т 1- ЖЭС ор ды жағатын үрлі отынд гетикалық ың негізі ж газдарың ағытталған ік беретін стар зерттеу ктісі ретінд ну камерас жоғары здырылған н [4]. 420 қазанд үшін БКЗ-4 қатар сан ың жану к ялық мод жақсартуға ты ЖЭО-2 Б көл ЖЭО БКЗ-4 ипаттамала ндығына қо құрамы үш 9-ші Хал _____________ - моржа; 4-бу рталығынд н құрылғы ды жағу пр кешеннің жəне жағу меншікті н. Соған сə технологи удің негізгі де 420 т/сағ сы таңдап параметр н бу өндіру дығы жану 420 қазанд ндық зертт камерасы 8 дельді, сан мүмкіндік БКЗ-420 қа лемдеріне б 420 жану арын зертт осымша ау шін тозаң лықаралық ғыл _____________ 125 у турбинасы; да көмірді ж ларды техн роцесін тиі өзекті мəс уға тиімді мөлшерін йкес, тозаң ияның құр і мəселесі б ғ бу өндіру п алынды рлі жылу у үшін Екі у камерасы дығы жану теу үшін б 871 594 ба ндық есеп берді. азандығыны бөлінген тү қазандығы еу бойынш аны (5кг/с көмірлі о лыми конферен _____________ 5- генератор жағу проце нологиялы імді ұйымд селелердің отындард не қойылат ңды газды рылуы жəн болып табы у қуатына и ы. Е-420-1 утурбинала ібастұз көм ының жалп камерасы бақылау кө ақылау тор птеулер ме ың жалпы 3 үрі келтіріл ының конц ша ЭЕҚ бо жəне 10 к отынды жа нция «Физикан жəне і _____________ р; 6-суытқыш сін ұйымда қ тұрғыдан дастыру əд бірі. Ал т ды пайдал тын эколо қалдықтар не олардың ылады. ие Алматы 3,8-560 Б ары арқы мірін жағу пы пішіні бақылау к өлем əдісі ры ұяшықт ен нəтиже 3D түрі жə лген центрациял ойынша есе кг/с) үрлеу ағу барысы ның заманауи ж іргелі физикал _____________ ш жүйе; 7-көм астыру н қарқынды дісін қолда озаңды көм лану қазан огиялық т рдың түзілу ң мөлшерін ы ЖЭО 2-ні Т (БКЗ-42 ылы жыл нəтижесін көрсетілге көлемдерін қолданыл тарға бөлін елердің гр не оны бақ лық, жылу ептеуіш эк жылдамды ында пайд жетістіктері ық білім беру» __________ мір ы жаңарту, ану қазіргі мірді жағу ндықтардан талаптарды у процесін н азайтуға ің БКЗ-420 20-140-7С) лу электр нде жұмыс н. Сандық не бөлінген ды, мұнда нді. Бұл өз рафикалық қылау улық жəне ксперимент ығы мен əр а болатын і » , і у н ы н а 0 ) р с қ н а з қ е т р н The 9 th International Conference «Modern achievements of physics and fundamental physical education» October , 12-14, 2016, Kazakhstan, Almaty ______________________________________________________________________________________________________ 126 барлық тозаң-газды қалдықтардың (CO, CO 2 , NO 2 , O 2 ) концентрациясы, энергиясы, турбуленттік сипаттамалары, жылдамдық, температура өрістері алынды. Аталған жұмыс ҚР БҒМ ғылым Комитетінің қаржылай қолдауымен жазылған (грант №3481/ГФ4). Əдебиеттер 1. Алияров Б.К., Алиярова М.Б., Сжигание казахстанских углей на ТЭС и на крупных котельных., Алмыты-2012. -130с. 2. A. Askarova, S. Bolegenova, V. Maximov, A. Bekmuhamet, Mathematical simulation of pulverized coal in combustion chamber // Journal “Procedia Engineering”, Volume 42, 2012, pp. 1150-1156. 3. A. Askarova, S. Bolegenova, V. Maximov, A. Bekmuhamet, Numerical research of aero- dynamic characteristics of combustion chamber BKZ-75 mining thermal power station //Journal “Procedia Engineering”, Volume 42, 2012, pp. 1250-1259. 4. A. Askarova, S. Bolegenova, V. Maximov, A. Bekmuhamet, M. Beketaeva, Numerical ex- perimenting of combustion in the real boiler of CHP //International Journal of Mechanics, Issue 3, Volume 7, 2013, pp.343-352. жүктеу/скачать 11,53 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|