Шөлшемді Cinar ICE моделінің сипаттамасы

Көмірді жандыру үрдісін математикалық моделдеуде, «Империал Колледж Лондон» қызметкерлері дайындаған үшөлшемді математикалық Cinar Integrated CFD Environment (Cinar ICE) моделі қолданылды [34-39]. Cinar ICE – бұл жандыру құрылғыларындағы гидродинамика, жылулық масса алмасу мен отынның жануын есептеу мен физикалық моделдеуге арналған бағдарламалар жиынтығы.

Массалар мен импульстың сақталу теңдігі Патанкар альгоритмін қолдануға негізделген бақылау көлемдері әдісінің көмегімен шешіледі [40]. Газ фазасына арналған орташаландырылған уақыттар теңдігін сипаттауда Эйлердің әдісі қолданылады. Кез келген скалярлы f шамасына ауыстырудың жалпы теңдігі келесі түрде жазылады:

(1.1)

Мұндағы, G _f - f скалярлы шаманың диффузия коэффициенті, S_f - f скалярлы шаманың ағыны немесе негізгі көзі, ол келесі теңдіктен анықталады:

,

Мұндағы, S_g,f - газ фазасындағы ағын немесе негізгі көзі, ал S_p,f - газ фазасы мен бөлшектері арасындағы f скалярлы шаманың ауысуын түсіндіретін шама.

Эйлердің әдісінде бөлшектер псевдо-газ түрінде кездеседі, яғни, массаның негізгі көзі немесе ағыны, энергия мен импульстың алмасуы ғана ескерілген. Қатты фазаны моделдеу үшін, ағында қозғалатын бөлшектердің динамикалық және жылулық артта қалулары ескерілген Лагранж тәсілі қолданылған [41]. Осыған орай, газ фазасын моделдеуде Эйлер әдісі, ал бөлшектерді сипаттауда Лагранж тәсілі қолданылады.

Турбуленттілік стандартты “k-e” турбуленттілік моделінің көмегімен моделденеді [42]. Қатаң тұтқырлықты турбуленттілік моделі Бусинеск гипотезасына негізделген және Рейнольдстің орташаландырылған сан мәндері қолданылады. Тұтқыр турбуленттілік турбулентті кинетикалық энергия (k) мен оның диссипация жылдамдығы (e) арқылы белгіленеді. Осған байланысты, негізгі бағдарламада “k-e” моделінің қолданылуы екі дифференциалды ауысу теңдігін қажет етеді. k және e шамалары келесі түрде анықталады:

(1.2)

(1.3)

Жану үрдісі бірнеше түрлі отын қоспасын [43] бірмезетте есептеуге арналған «жылдам кинетика» моделіне ұқсас сипатталады. Сәйкесінше, реакция жылдамдығы отынның тотықтырғышпен араласу жылдамдығымен лимиттеледі.

Ұшқыш көмірлердің бөлінуі бірінші ретті реакциямен сипатталады [44]. Сондай-ақ, жалпы пиролиз үрдісі барлық көлемде біркелкі таралатын көмір бөлшектері деструкциясының бірінші ретті реакциясымен аппроксимирленеді деп болжанады[45]. Ұшқыш көмір бөлінгеннен соң кокстық қалдықта көміртек пен инертті күл қалады.

Көміртектің кокс қалдығы бар гетерогенді реакциялар екі бәсекелес үрдістермен бақыланады: бөлшек бетіне оттектің диффузиялануы және бөлшек бетіндегі көміртек тотығуының химиялық кинетикасы [46]. Сәулеленуді ескеру үшін «екі сұр және бәр түссіз газ» [88] моделі бойынша есептелінетін жұтылу коэффициенттері ескерілген теңсіздік қолданылады [47].

Азот оксидтерінің түзілуі мен тотықсыздануын моделдеу «пост-процессорлы» бағдарламаны қолдану арқылы жүзеге асырылады. Бастапқы көмір құрамындағы азоттың әртүрлі қосылыстарының ары қарайға түрлендірулері мен есептеулері, сондай-ақ, NO түзілуіне қосатын үлесі отынның жануының жалпы моделіне кірмейтін екі сатымен сипатталады. Жалпы моделде құрамында азоты бар қосылыстардың химиялық айналуларының әсері көрсетілмеген. Бұл құрамында басқа да өнімдер бар азот оксиидінің түзілу үрдісін салыстыруға және NO түзілу кезіндегі жылу мөлшерінің өзгерісіне негізделінуі мүмкін.

Азот оксидтері NO_х құрамында мөлшері азырақ NO₂ және N₂O газдарынан құралған NO газынан тұрады. негізінен NO үш бағыты бойынша түзіледі: термиялық, лездік және отындық NO_х. Осының барлығы азот оксидтерінің құрылымын түзеді. Отындық NO түзілу процесі күрделі процесс болып табылады. Ұшпа компоненттердің шығу процесі басталғандаотын азоты коксты қалдық құрамындағы азот және ұшпа азот болып бөліне бастайды.сонымен қатар олар И-деготь, НСИ және ИН₃ деп сипатталады. Азоттың бқлінуі көмір типі мен температурасына байланысты болады. Көп жағдайда И-деготь негізінде – күйге және НСИ болып түрлене алады. И-күйінде негізінде ИО түзіп гетерогенді реакция арқылы тотығады. НСИ және ИН₃ стехиометриялық қатынас пен ұшпа азоттың жалпы концентрациясына байланысты ИО және И₂ болып түрлене алады. Коксты қалдықтағы азот гетерогенді тотығу салдарынан ИО түзеді. Дегенмен, ИО бар бөлігі реакциядағы кокс, көміртек оксиді СО және күйе арқылы И₂ дейін түрленіп кете алады. Коксты бөлшектердің, кокс концентарциясы мен оның әрекеттескіш қабілеті ұлғайған сайын ИО түзетін азот оксидтері азая түседі.

Жану көлеміндегі NO негізгі құраушылары азоттың жанатын, термиялық және жылдам оксидтері болып табылады (5-сурет). Азоттың жанатын оксидтерінің есептелінулері Де Соэта [49; 50] моделімен, термиялық оксидтері Савье [51] моделімен, ал жылдам оксидтері Леви моделімен сипатталады [52]. Сондай ақ, көмірдің жануы барысында ұшқыш азот пен кокс қалдығының азоты түзіледі.

Кокс қалдығындағы азоттың азот оксидінің түзілуіне әсері аталған моделде салыстырмалы түрде аз (шамамен 20 %)екендігіне қарамастан, ол NO түзудің жалпы сызбасына қосылған. Отынның жануы нәтижесіндегі түзілуі мен тотықсыздануын есептеу әдістемесі төменде көрсетілген қарапайым химиялық реакцияларға негізделген [53].

Сурет 5. NO түзілу реакциясының сызбасы

Ауадағы азоттан азоттың термиялық оксидтерінің түзілу сызбасы [51] жұмыста ұсынылған және Зельдович механизміне негізделген бірінші ретті қарапайым реакциялармен сипатталады.

Азоттың жылдам оксидтері, жану камерасы көлеміндегі молекулалық азоттың көмірсутектермен реакциясы нәтижесінде түзіледі. Жанудың бастапқы сатыларында оттектің мөлшері көп болғандықтан, бастапқы сатыда молекулярлы азот емес азотты радикалдыр түзіледі.