Разработка модели горения полимерных материалов с использованием детальных кинетических механизмов на основе адаптации подхода flamelet

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-79-10066

НазваниеРазработка модели горения полимерных материалов с использованием детальных кинетических механизмов на основе адаптации подхода flamelet

Руководитель Шаклеин Артем Андреевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Удмуртский федеральный исследовательский центр Уральского отделения Российской академии наук" , Удмуртская Республика

Конкурс №71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-204 - Равновесие и кинетика процессов в химически реагирующих системах

Ключевые слова полимерные горючие материалы, пиролиз, диффузионное горение, детальный кинетический механизм, вычислительный алгоритм, сопряженный теплообмен, распространение пламени по полимерам

Код ГРНТИ31.15.27

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на разработку методики расчета гетерогенного горения с решением подзадачи химической кинетики на предварительном этапе до основного расчета с применением детальных кинетических механизмов для проведения численных исследований горения полимерных материалов. Полимерные материалы широко распространены в различных сферах деятельности (например, транспорт, авиация, стоительная сфера, быт). Среди уникального набора свойств полимеров, следует отметить их отличительную от других конструкционных материалов особенность – горючесть. Горючесть полимеров проявляется как положительно –контролируемое горение (утилизация твердых бытовых отходов сжиганием), так и отрицательно – неконтролируемое горение (пожары). В первом случае необходимо разрабатывать теоретические основы и проводить исследования горения полимеров с целью снижения выброса в окружающую среду вредных веществ, во втором – для снижения горючести материалов, предсказания динамики и направления развития пожара. Применение детальных кинетических механизмов в отличие от макрорекций горения, широко используемых для значительного снижения вычислительных затрат, позволит повысить предсказательные способности математических моделей в целом для всех направлений исследований горения полимеров, поскольку, во-первых, уточнится расчет тепловыделения в газовой фазе (по сравнению с макрореакциями горения) за счет выделения реакций с различным тепловым эффектом в разных областях газовой фазы, во-вторых, будут использованы кинетические параметры элементарных реакций, а также станет возможным определение концентрации конкретных веществ (в том числе загрязняющих окружающую среду) в области горения. Отличительная особенность описания горения полимерных материалов в отличии от газовых смесей заключается в необходимости рассмотрения гетерогенной системы, состоящей из твердой фазы исходного горючего материала и газовой фазы, в которой происходит горение газообразных горючих продуктов термического разложения твердого материала. С каждой точки поверхности горючего материала в газовую среду поступает горючий газ с различной скоростью и температурой. В связи с этим существующие модели горения, основанные на разделении химической части задачи и расчета поля течения и вынесении подзадачи расчета химической кинетики на этап до основного расчета (подход flamelet), не могут быть напрямую применены к рассматриваемому классу задач и требуют разработки модификаций для учета особенностей подачи газообразного горючего. Результаты исследований, выполняемых по проекту, включают разработку новой модели гетерогенного горения, основанной на решении подзадачи химической кинетики на предварительном этапе до основного расчета (подход flamelet), позволяющей проводить численные исследования горения твердых горючих материалов с применением детальных кинетических механизмов с вычислительными затратами, незначительно превышающими использование макрорекции газофазного горения; создание на основе открытого программного пакета Cantera модуля для генерации таблиц зависимостей теплофизических параметров смеси от доли смешения компонентов и тепловых потерь на основе детальных кинетических механизмов газофазного горения продуктов термического разложения полимеров; создание на основе имеющихся собственного программного кода и модификации к открытому пакету OpenFOAM, разработанных для расчетов распространения диффузионного пламени по поверхности горючих материалов, программных модулей с применением сформулированной модели горения; оценки возможностей применения методов машинного обучения для ускорения создания таблиц зависимостей теплофизических параметров смеси от доли смешения компонентов и проведения расчётов газофазного горения полимерных материалов по полученным зависимостям; измерения химической и тепловой структуры (температура, концентрации) пламени при горении выбранных полимеров; численные исследования горения полимерных материалов с использованием детальных кинетических механизмов газофазного горения, новые результаты с подробным описанием химической структуры пламени.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Шаклеин А.А., Трубачев С.А., Морар Г., Балобанов Н.А., Митрюкова Е.А. Численное моделирование горения твердых материалов. Обзор Химическая физика и мезоскопия, Т.24, №3, С.319-331 (год публикации - 2022)
10.15350/17270529.2022.3.26

2. Шаклеин А.А., Трубачев С.А., Морар Г., Балобанов Н.А., Митрюкова Е.А. The flamelet approach for predicting polymer burning 10th International Seminar on Flame Structure, Book of Abstracts, Siberian Branch of Russian Academy of Science, Novosibirsk, с.70 (год публикации - 2023)

3. А.А. Шаклеин, С.А. Трубачев, Г. Морар, Е.А. Митрюкова, Н.А. Балобанов, А.Г. Шмаков, Е.А. Соснин Experimental and numerical study of PMMA combustion in counterflow configuration Case Studies in Thermal Engineering, Vol. 54, 2024, no.104033 (год публикации - 2024)
10.1016/j.csite.2024.104033

4. Шаклеин А.А., Трубачев С.А., Морар Г., Балобанов Н.А., Митрюкова Е.А. Численное исследование чувствительности характеристик горения ПММА в противотоке воздуха к исходным данным химическая физика и мезоскопия, т.25, с.490-497 (год публикации - 2023)
10.15350/17270529.2023.4.42

5. Морар Г., Карпов А.И., Шаклеин А.А. Численное исследование структуры турбулентного диффузионного пламени на вертикальной поверхности ПММА Химическая физика и мезоскопия, номер 4, том 26, стр. 486-492 (год публикации - 2024)
10.62669/17270227.2024.4.40

6. Шаклеин А., Карпов А., Трубачев С., Морар Г., Балобанов Н., Митрюкова Е. A Mixture Fraction Approach to Predict Polymer Burning Polymers, номер 23, том 16, номер статьи 3313 (год публикации - 2024)
10.3390/polym16233313

7. Шаклеин А.А., Трубачев С.А., Морар Г., Митрюкова Е.А., Балобанов Н.А. Численное исследование распространения пламени по поверхности ПММА на основе детального кинетического механизма Институт тепло- и массообмена имени А. В. Лыкова НАН Беларуси, г. Минск, стр. 340-341 (год публикации - 2024)

8. Трубачев С.А., Шаклеин А.А., Палецкий А.А., Шмаков А.Г., Куликов И.В., Соснин Е.А. Predictions of Flame Spread Rate Over Glass-Fiber-Reinforced Polymeric Materials in Opposed Flow Combustion Science and Technology (год публикации - 2025)
10.1080/00102202.2025.2464770

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Проведено численное моделирование горения полимерного материала с использованием модели горения, основанной на доли смешения. В такой конфигурации для оценки характеристик горения необходимо аккуратно разрешить тепло- и массообмен в системе газофазного пламени и твердого горючего материала. Рассмотрена конфигурация распространения пламени по поверхности полимерного горючего материала. В качестве полимера рассмотрен полиметилметакрилат (ПММА). Сформулирована методика для учета теплопереноса от газофазного пламени в твердый материал при использовании модели горения, основанной на доли смешения. Методика заключатся в варьировании скорости подачи горючего при расчетах одномерных пламен в противотоке для приближения пламени к границе подачи горючего и формировании градиента температуры у границы. Комбинация полученных решений позволяет определить температуру и массовые доли компонентов в основном расчете горения полимера. С применением данной методики удается хорошо разрешить форму носика пламени при распространении пламени вниз по вертикальной поверхности ПММА на основе кинетического механизма, состоящего из 29 компонентов и 33 реакций. Однако тепловой поток из пламени в полимер оказывается завышенным, что приводит к существенно завышенной скорости распространения пламени (на порядок) по сравнению с измерениями и предыдущими расчетами. Таким образом, предварительные результаты показывают хорошие перспективы применения модели горения, основанной на доли смешения, для расчетов горения полимерных материалов. Анализ показывает, что неадекватное разрешение теплопередачи во фронте пламени является основной причиной неудовлетворительного согласования результатов расчетов и измерений. Необходимо разрешать многомерность теплового потока у носика пламени. Проведено численное исследование горения жидкого метилметакрилата (ММА) в горелке маленького масштаба. Рассмотрены горелки диаметром 25–35 мм. Для численного расчета структуры пламени используется модель горения, основанная на доли смешения. Данная модель горения позволяет наложить заранее рассчитанные решения одномерных пламен в противотоке на основной расчет. Используется механизм горения ММА, состоящий из 29 компонентов и 33 реакций. В численной модели, сформулированной в осесимметричной постановке, учитывается тепло- и массообмен между газом и жидкой фазой и течение многокомпонентного реагирующего газа. Показано, что результаты расчетов удовлетворительно согласуются с измерениями. На основании анализа полученных результатов сделано следующее заключение. Тепловой поток от пламени в твердый материал является одним из основных механизмов, определяющих динамику распространения пламени по поверхности полимерного материала. Текущая форма модели горения позволяет "накладывать" на основной расчет одномерные пламена, соответственно, и одномерные температуры и концентрации. Под одномерностью здесь имеется в виду распределение параметров в пространстве доли смешения. При этом доля смешения вблизи поверхности изменяется в основном в нормальном направлении к поверхности. Таким образом, существенная часть теплового потока от пламени (формирующаяся в области между пламенем и полимером) поступает в твердый материал. В действительности же тепловая энергия, переносимая от пламени к горящей поверхности в области носика пламени рассеивается в том числе в перпендикулярном направлении в окружающую среду. В результате, меньше тепла поступает в твердый материал, и скорость распространения пламени оказывается ниже. Для учета данного эффекта предложена модификация модели горения, заключающаяся в решении уравнения сохранения энергии газовой фазы. В этом случае направленность теплового потока во все стороны у носика пламени окажется учтенной. Химическая часть при этом будет определяться источником, входящим в уравнение энергии. Данный источник будет определяться интерполяцией с одномерных диффузионных пламен в противотоке по аналогии с предыдущей методикой интерполяции температуры. Предложенная модификация позволила повысить точность расчетов горения полимеров с использованием модели горения, основанной на доли смешения (flamelet). Скорость распространения пламени по поверхности ПММА вниз составила 0.1 мм/с, что очень близко к экспериментальным данным. Таким образом, можно заключить, что разработанная методика позволила адекватно разрешить процессы в носике пламени, которые являются определяющими в динамике распространения ламинарного диффузионного пламени вниз.

Публикации