Teoria Franka-Kamienieckiego

Podczas spalania teoria Franka-Kameneckiego wyjaśnia wybuch termiczny jednorodnej mieszaniny reagentów, znajdującej się w zamkniętym naczyniu o ścianach o stałej temperaturze . Jej nazwa pochodzi od rosyjskiego naukowca Davida A. Franka-Kameneckiego , który wraz z Nikołajem Semenowem opracował teorię w latach 30. XX wieku.

Opis problemu

stałej temperaturze , zawierające jednorodną reagującą mieszaninę. Niech charakterystyczny rozmiar naczynia będzie . Ponieważ mieszanina jest jednorodna, gęstość . W początkowym okresie zapłonu zużycie stężenia reagentów jest znikome (patrz { ), więc wybuchem rządzi tylko równanie energii . Zakładając jednoetapową globalną reakcję gdzie to ilość ciepła uwalnianego na jednostkę masy zużytego paliwa, a szybkość reakcji podlega prawu Arrheniusa , równanie energii przyjmuje postać

Gdzie

jest temperaturą mieszaniny;
jest ciepłem właściwym przy stałej objętości;
jest przewodnością cieplną ;
jest czynnikiem przedwykładniczym o wymiarze jeden w czasie;
jest początkowym ułamkiem masowym paliwa ;
jest energią aktywacji ;
jest uniwersalną stałą gazową .

Brak wymiarowania

Bezwymiarowe skale czasu, temperatury, długości i wymiany ciepła można zdefiniować jako

Gdzie

jest charakterystycznym czasem przewodzenia ciepła w naczyniu;
jest charakterystycznym czasem zużycia paliwa;
jest charakterystycznym czasem wybuchu/zapłonu;
jest charakterystyczną odległością, np. promieniem naczynia;
jest bezwymiarową energią aktywacji;
jest parametrem wydzielania ciepła;
jest liczbą Damköhlera ;
jest współrzędną przestrzenną z początkiem w środku;
dla płyty płaskiej;
do naczynia cylindrycznego;
dla naczynia kulistego.
Uwaga
W typowym procesie spalania tak, że .
Dlatego . Oznacza to, że czas zużycia paliwa jest znacznie dłuższy niż czas zapłonu, więc zużycie paliwa jest zasadniczo pomijalne w badaniu zapłonu.
Dlatego zakłada się, że stężenie paliwa pozostaje początkowym stężeniem paliwa .

Podstawianie zmiennych bezwymiarowych w równaniu energetycznym ze wstępu

Ponieważ człon wykładniczy można zlinearyzować , stąd

τ , mamy i dla θ musi spełniać i

Teoria Semenowa

Rozwiązanie problemu Semenowa

Przed Frankiem-Kamenetskim jego promotor Nikołaj Siemionow (lub Siemionow) zaproponował teorię eksplozji termicznej z prostszym modelem, w którym przyjął funkcję liniową dla procesu przewodzenia ciepła zamiast operatora Laplaca . Równanie Semenova brzmi jak

w którym wyraz wykładniczy do wzrostu upływu czasu, podczas gdy wyraz liniowy będzie miał tendencję mają tendencję do zmniejszania się . Odpowiednie znaczenie między tymi dwoma terminami określa liczba Damköhlera . Numeryczne rozwiązanie powyższego równania dla różnych wartości na rysunku

Reżim stały

Kiedy system jest w stanie osiągnąć stan ustalony, gdy . W stanie ustalonym ( ) równowaga jest określona równaniem

gdzie reprezentuje funkcję _ Z właściwości funkcji Lamberta W łatwo zauważyć, że temperatura w stanie ustalonym zapewniona przez powyższe równanie istnieje tylko wtedy, gdy , gdzie jest nazywany parametrem -Kamenetskiego jako punkt krytyczny w którym system rozgałęzia się od stanu ustalonego do stanu wybuchowego w dużych odstępach czasu.

Wybuchowy reżim

Dla system eksploduje, ponieważ w miarę długo czekać, aż . Z powodu wymuszenia wykładniczego przy skończonej wartości . Czas ten jest interpretowany jako czas zapłonu lub czas indukcji układu. Gdy , termin przewodzenia ciepła można pominąć takim przypadku problem dopuszcza wyraźne rozwiązanie ,

W system Ten czas jest również nazywany okresem indukcji adiabatycznej, składnik jest

W stanie prawie krytycznym, tj. Kiedy dużo czasu, Analiza tego limitu została po raz pierwszy przeprowadzona przez Franka-Kamenetskii, chociaż właściwe asymptotyki zostały przeprowadzone dopiero później przez DR Kassoy i Amable Liñán, w tym zużycie reagentów, ponieważ zużycie reagentów nie jest pomijalne, gdy . Poniżej przedstawiono uproszczoną analizę bez zużycia reagentów. Zdefiniujmy mały parametr , że . tym przypadku ewolucja w czasie następująca: najpierw wzrasta do wartości temperatury w stanie ustalonym odpowiadającej , czyli \ θ w czasach porządku , wtedy pozostaje bardzo blisko tej ustalonej wartości przez długi czas, zanim ostatecznie eksploduje przez długi czas. Wielkość zainteresowania jest długoterminowym oszacowaniem eksplozji. Aby znaleźć oszacowanie, wprowadź przekształcenia θ jest odpowiedni dla regionu, w którym pozostaje blisko do rządzącego równania i zbiera tylko wiodące -Zamów warunki, aby się dowiedzieć

gdzie warunek brzegowy jest uzyskiwany przez dopasowanie do początkowego regionu, w którym . Rozwiązanie powyższego problemu podaje tzw

co natychmiast ujawnia, że ​​kiedy Pisząc ten warunek w kategoriach , czas wybuchu w stanie prawie krytycznym wynosi

że ​​czas zapłonu jako kwadratem- osobliwość korzenia.

Teoria stanu ustalonego Franka-Kameneckiego

Jedynym parametrem charakteryzującym eksplozję jest liczba Damköhlera . Kiedy , czas przewodzenia jest dłuższy niż czas reakcji chemicznej, a system eksploduje z wysoką temperaturą, ponieważ nie ma wystarczająco dużo czasu na przewodzenie, aby usunąć ciepło Z drugiej strony, gdy jest bardzo ściany, a zatem nie ma wybuchu, przechodzi do stanu prawie ustalonego, Amable Liñán ukuł ten tryb jako tryb wolno reagujący. Przy krytycznej liczbie Damköhlera z trybu wolno reagującego do trybu wybuchowego Dlatego , jest Zamiast rozwiązać pełny problem znalezienia tego Kamenetskii rozwiązał problem stanu ustalonego dla różnych liczb Damköhlera aż do wartości krytycznej, powyżej której nie istnieje żadne stałe rozwiązanie. Więc problem do rozwiązania jest

z warunkami brzegowymi

drugi warunek wynika z symetrii naczynia. Powyższe równanie jest szczególnym przypadkiem równania Liouville-Bratu-Gelfanda w matematyce .

Naczynie płaskie

Wybuch Franka-Kameneckiego dla naczynia płaskiego

W przypadku naczynia płaskiego istnieje dokładne rozwiązanie. Tutaj zatem

i ξ , gdzie maksymalną temperaturą, która występuje przy symetrii, to wprowadzony

Całkując raz i używając drugiego warunku brzegowego, otrzymujemy równanie

i znowu integracja

Powyższe równanie jest dokładnym rozwiązaniem, ale maksymalna temperatura jest nieznana, ale jeszcze warunku brzegowego ściany warunek brzegowy ściany w temperatura jest uzyskiwana z wyrażenia niejawnego, θ

Krytyczny uzyskuje się znalezienie maksymalnego punktu równania (patrz rysunek), tj. w .

Tak więc krytycznym parametrem Franka-Kamentskiego jest . System nie ma stanu ustalonego (lub eksploduje) dla { , układ przechodzi w stan ustalony z bardzo powolną reakcją.

Naczynie cylindryczne

Wybuch Franka-Kameneckiego dla naczynia cylindrycznego

W przypadku naczynia cylindrycznego istnieje dokładne rozwiązanie. Chociaż Frank-Kamentskii zastosował całkowanie numeryczne, zakładając, że nie ma wyraźnego rozwiązania, Paul L. Chambré dostarczył dokładne rozwiązanie w 1952 r. H. Lemke rozwiązał również rozwiązanie w nieco innej formie w 1913 r. Tutaj j = 1 { , więc

ω i są wprowadzane

Ogólne rozwiązanie to . Ale z warunku symetrii w środku do Zapisując z powrotem pierwotną zmienną, równanie brzmi:

Ale oryginalne równanie pomnożone przez

Teraz odjęcie dwóch ostatnich równań od siebie prowadzi do

To równanie jest łatwe do rozwiązania, ponieważ obejmuje tylko pochodne, więc pozwalając przekształcić równanie

To jest różniczkowe Bernoulliego , rodzaj równania Riccatiego . Rozwiązaniem jest

Całkując ponownie, mamy gdzie . Użyliśmy już jednego warunku brzegowego, pozostał jeszcze jeden warunek brzegowy, ale z dwiema stałymi. . Okazuje się, i ze sobą powiązane, co uzyskuje się przez podstawienie powyższego rozwiązania do wyjściowego równania, do którego dochodzimy . Dlatego rozwiązaniem jest

Teraz, jeśli użyjemy drugiego warunku brzegowego równanie dla jako . Maksymalna wartość, dla której możliwe jest rozwiązanie, jest wtedy, gdy krytycznym parametrem Franka-Kamentskii jest . System nie ma stanu ustalonego (lub eksploduje) dla δ , system przechodzi w stan ustalony z bardzo powolną reakcją. Maksymalna temperatura występuje przy

Dla każdej wartości dwie wartości ponieważ jest wielowartościowy. Maksymalna temperatura krytyczna wynosi .

Sferyczne naczynie

Naczynie kuliste Franka-Kamienieckiego

Dla naczynia kulistego nie ma znanego jednoznacznego rozwiązania, więc Frank-Kameneckii użył metod numerycznych, aby znaleźć wartość krytyczną. Tutaj zatem

i ξ , gdzie maksymalną temperaturą, która występuje przy symetrii, to wprowadzony

Powyższe równanie to nic innego jak równanie Emdena-Chandrasekhara , które pojawia się w astrofizyce opisującej izotermiczną kulę gazową. cylindrycznego, naczynie sferyczne ma nieskończenie wiele rozwiązań dla wokół punktu zamiast tylko dwa rozwiązania, które przedstawił Israel Gelfand . Najniższa gałąź zostanie wybrana do wyjaśnienia wybuchowego zachowania.

Z rozwiązania numerycznego wynika, że ​​​​krytyczny parametr Franka-Kameneckiego wynosi . System nie ma stanu ustalonego (lub eksploduje) dla 3,3220 , układ przechodzi w stan ustalony z bardzo powolną reakcją. Maksymalna temperatura występuje przy a maksymalna temperatura krytyczna wynosi .

Geometrie niesymetryczne

W przypadku naczyń, które nie są symetryczne względem środka (na przykład naczynia prostokątnego), problem polega na rozwiązaniu nieliniowego równania różniczkowego cząstkowego zamiast nieliniowego równania różniczkowego zwyczajnego , które w większości przypadków można rozwiązać tylko metodami numerycznymi. Równanie jest

z warunkiem brzegowym na powierzchniach ograniczających

Aplikacje

Ponieważ model zakłada jednorodną mieszaninę, teoria ma zastosowanie do badania wybuchowego zachowania paliw stałych (spontaniczny zapłon biopaliw, materiałów organicznych, śmieci itp.). Jest to również wykorzystywane do projektowania materiałów wybuchowych i petard. Teoria dokładnie przewidywała wartości krytyczne dla płynów/ciał stałych o niskim przewodnictwie za pomocą cienkościennych pojemników o wysokiej przewodności.

Zobacz też

Linki zewnętrzne