Пористые горелки с градиентной структурой

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 23-79-01328

НазваниеПористые горелки с градиентной структурой

Руководитель Яковлев Игорь Александрович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Томский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук , Томская обл

Конкурс №84 - Конкурс 2023 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-404 - Проблемы создания энергетического оборудования

Ключевые слова фильтрационное горение газов, пористые горелки, стабилизация пламени, численное моделирование, волны горения, сопряженный теплообмен

Код ГРНТИ29.03.77

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Одним из перспективных направлений повышения эффективности и экологичности сжигания газообразных топлив является развитие технологий сжигания в условиях фильтрации через инертную пористую среду. В такой волне горения реализуется специфический механизм рекуперации тепловой энергии от продуктов сгорания к свежей смеси за счет теплопроводности пористого каркаса и излучения, что приводит к увеличению массовой скорости сгорания топлива, расширению пределов существования пламени, снижению эмиссии оксидов азота. Механизм рекуперации проиллюстрирован на рисунке 1 в приложении к заявке. Однако, существует технический аспект, ограничивающий широкое внедрение пористых горелок, который связан с необходимостью стабилизации волны горения в пористом блоке: в изотропной пористой среде, будь то зернистый слой частиц или керамическая пена, волна может распространяться как в направлении подачи смеси, так и против, в зависимости от калорийности и скорости фильтрации, и лишь в очень узких пределах этих параметров волна оказывается стационарной что, очевидно, не соответствует современным требованиям стабильной работы при переменном составе топлива и его расхода. Существует несколько методов стабилизации пламени в пористых средах (см. рисунок 2). Как альтернатива системам с распространяющейся волной горения, известен подход, когда зону горения заполняют двумя слоями пористого материала: сначала с мелкими, а затем крупными порами если смотреть в направлении фильтрации. В такой конструкции пористой среды фронт горения можно стабилизировать между слоями в достаточно широком диапазоне изменения расхода и состава смеси. В данном проекте предлагается развитие концепции двухслойной пористой горелки путем формирования плавного перехода от мелкой структуры к крупной, т.е. градиентной пористой горелки (см. рисунок 3). Разработка градиентных горелок тесно связана с исследованием физических механизмов ответственных за стабилизацию пламени в поровом пространстве в тех или иных условиях. С теоретической точки зрения исследование явления стабилизации это вообще говоря задача моделирования нестационарной динамики волн фильтрационного горения, так как стабилизация - это результат баланса скорости течения и скорости распространения пламени с учетом эффекта подогрева в условиях интенсивного теплообмена с твердым пористым каркасом. При этом важно указать, что такой баланс носит локальный характер ввиду локально-неоднородных условий течения и теплопередачи. Роль внутрипоровой газодинамики возрастает с увеличением расхода, так как формирующийся поперечный градиент скорости течения реагентов оказывает существенное влияние на растяжение фронта, а возникновение отрывных течений и зон рециркуляции является важной составляющей механизма стабилизации вблизи границы срыва пламени (см. рисунок 4). Основная цель проекта связана с комплексным экспериментально-теоретическим исследованием физических основ стабилизации пламен в градиентных пористых средах. Для достижения цели планируется решить задачи определения динамического диапазона работы такого типа горелок, построить режимную диаграмму, устанавливающую границы стабильного горения в координатах калорийность/расход, исследовать локальную структуру фронта горения и роли эффектов растяжения, оценить эффективность рекуперации и чувствительность системы к начальным условиям поджига (гистерезис), определить зависимость динамического диапазона работы горелки от протяженности градиентной зоны, а также возникающий перепад давления. . Планируется определить критические условия сжигания, когда использование Ni-Al интерметаллида уже невозможно ввиду интенсивного высокотемпературного окисления.Их успешное решение позволит обеспечить задел для потенциального промышленного внедрения новых технологий фильтрационного горения в энергетику.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Яковлев И.А., Фурсенко Р.В., Астахов Д.С., Замбалов С.Д., Мазной А.С. Transition to oscillatory instability of lean methane–air flames in microchannels Combustion and Flame, Volume 267, Article Number 113570 (год публикации - 2024)
10.1016/j.combustflame.2024.113570

2. Яковлев И.А., Пичугин Н.С., Астахов Д.С., Замбалов С.Д., Мазной А.С. Combustion synthesis of tailored intermetallic porous burners: effects of two-section and graded morphologies on lean hydrogen flame stability Combustion Science and Technology (год публикации - 2025)
10.1080/00102202.2025.2495722

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В первый год проекта были исследованы физические механизмы ответственные за стабилизацию пламени методами явного моделирования на поровом масштабе. На основе полученных результатов моделирования на втором году выполнения проекта проводились сравнительные экспериментальные исследования стабилизации пламен в двухслойной и градиентной горелке из Ni-Al интерметаллида полученные методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Двухслойная горелка состояла из мелкопористой и крупнопористой секции со средним диаметром пор 0,5 и 2,5 мм соответственно. Градиентная конфигурация характеризовалась теми же размерами поровых каналов, однако профиль их изменения задавался в виде линейной функции. Для экспериментов была разработана лабораторная горелка с возможностью замены пористых сред, оснащенная системой подготовки смеси и регулирования расхода, а также линейкой из 10 термопар для реконструкции профиля температуры пористой матрицы вдоль направления фильтрации. С помощью разработанного экспериментального стенда была проведена серия экспериментов по исследования стабилизации метано-воздушных и водородно-воздушных пламен в двухслойной и градиентной пористой горелке. Было установлено, что обе конфигурации обеспечивают эффективную стабилизацию зоны горения в широком диапазоне варьирования расхода и коэффициента избытка топлива. Было обнаружено, что при значении φ = 0,25 в двухслойной конфигурации водородное пламя стабилизируется в диапазоне от 6 до 82 SL0. Полученные результаты сравнивались с работами по стабилизации водородных пламен в двухслойной пористой горелке в виде пары составленных блоков керамических пен и двухслойных засыпок с близким размером поровых каналов. Оказалось, что в исследуемой в проекте металлической горелке диапазон стабилизации в 3 раза шире, чем указано в литературе, что говорит о значительном вкладе высокой теплопроводности металла на эффект стабилизации. Более того, в экспериментах была обнаружена стабилизация водородных пламен существенно ниже бедного предела воспламеняемости вплоть до φ = 0,21. Важно отметить, что до настоящего времени данных о сжигании сверхбедных смесей водорода с воздухом в пористых горелках представлено не было. По результатам параметрических исследований была построена режимная диаграмма, устанавливающая область стабильного горения. Полученные экспериментальные данные подтвердили результаты численного моделирования о слабом влиянии градиентной морфологии пористых сред на пределы стабильного горения. Анализ эволюции структуры пламен с помощью моделирования на поровом масштабе позволил показать, что механизм стабилизации при фильтрационном горении тесно связан с эффектом якорения фронта, когда фронт эффективно стабилизируется в отрывных течениях и рециркуляционных зонах за фрагментами пористой структуры в окрестности зоны стабилизации. В таких условиях со значительными градиентами скорости, увеличение расхода не приводит к отрыву пламени, но способствует увеличению площади его поверхности, которая может на порядок превышать площадь сечения горелки, что и обеспечивает локализацию зоны горения внутри пористой среды. Было показано, что этот механизм слабо зависит от макроскопической морфологии пористой среды, будь то двухслойная или градиентная конфигурация, а скорее определяется локальной топологией, геометрией порового пространства в окрестности зоны стабилизации, что и наблюдалось в проведенных экспериментах. Сравнительные эксперименты с горением водорода на бедном пределе показали, что в градиентной горелке фронт пламени претерпевает скачкообразное смещение из центральной части горелки с последующей рестабилизацией в области крупных пор при существенно больших скоростях, что указывает на более эффективную рекуперацию тепла в градиентной конфигурации, вклад которой, однако, не является доминирующим на пределе срыва, обеспечивая, по этой же причине, меньшую сопротивляемость проскоку. Говоря о практических результатах проделанной работы, можно отметить, что, несмотря на прогнозы моделирования в рамках объемно-осредненного подхода, сложные мофрологии пористых сред, в частности градиентные пористые горелки, не во всех случаях являются более предпочтительными по сравнению с более простыми двухслойными конфигурациями, что связано с определяющей ролью локальной гидродинамики на эффект якорения пламени при приближении к пределу срыва. Дальнейшее развитие технологии фильтрационного горения может быть связано с оптимизацией именно локальной структуры пористых сред таким образом, чтобы в области стабилизации обеспечить не только наибольшую эффективность рекуперации тепла, но и сформировать оптимальные условия течения/якорения за счет управления локальной топологией, геометрией пористых матриц. Такое направление может быть связано с последними достижениями аддитивных технологий для получения пористых матриц из жаростойких материалов, в том числе керамических и композиционных.

Публикации