Thermal dispersion in spiral combustion on a porous plane surface
The thermal dispersion in spiral combustion on a porous plane surface is studied. The effect of thermal dispersion in a system for which the thermal conductivity of the solid phase sig-nificantly exceeds the thermal conductivity of the gas is investigated using the example of the synthesis by combustion of titanium carbide from a mixture of titanium and carbon in air. It has been established that thermal dispersion leads to the formation of a heated circular core resulting from combustion spreading to the region of a large area located near the initiation of combustion. The effect of the ignition duration on the inhomogeneity and expansion of the heated core and the structure of alternating wave zones with local temperature maxima and regions of comparatively low temperature is considered. The study is based on the heat balance equation using the thermal equilibrium of the solid and gas phases. The model in-cludes the dispersion coefficients that depend on local values of gas velocity as well as the Darcy-Brinkman gas filtration equation. The structures of the thermal field are compared with the previously obtained results.
thermal dispersion, transient temperature modes, synthesis TiC.
Предлагается модель тепловой дисперсии для спирального горения на плоской пористой поверхности карбида титана. Изучено влияния тепловой дисперсии на процесс спирального горения в системе, для которой теплопроводность твердой фазы значительно превышает теплопроводность газа, на примере синтеза горением карбида титана из смеси титана с углеродом на воздухе. Установлено, что тепловая дисперсия приводит к образованию нагретого кругового ядра, возникающего вследствие распространения горения на область большой площади, расположенной вблизи инициации горения. Рассмотрено влияние времени инициации горения на неоднородность прогрева ядра и структуру перемежающихся зон с локальными максимумами температуры и областями сравнительно низкой температуры. В основе исследования: уравнения баланса тепла в приближении теплового равновесия твердой и газовой фаз, включающие дисперсионные коэффициенты, которые зависят от ло-кальных величин скорости газа и уравнения фильтрации газа Дарси-Бринкмана. Структуры теплового поля сопоставлены с ранее полученными результатами.
численное моделирование спинового горения, нестационарные структуры тем-пературы, синтез TiC.
1. Whitaker S. Transport equations for multi-phase systems Chemical Engineering Sci-ence,1973 vol 28 pp 139-147. 2. Hsu, C.T.; Cheng, P.: Thermal dispersion in a porous medium. Int. J. Heat Mass Transf. 1990 33, 1587–1597. 3. Fatehi M and Kaviany M Role of gas-phase reaction and gas-solid thermal nonequilibrium in reverse combustion Int Heat Mass Transfer 1997 11 pp 2607-20. 4. F. M. Pereira, A. A. M. Oliveira and F. F. Fachini. Theoretical analysis of ultra-lean pre-mixed flames in porous inert media J. Fluid Mech. 2010, 657, pp. 285–307. 5. M. Fatehi and M. Kaviany. Role of gas-phase reaction and gas-solid thermal nonequilibri-um in reverse combustion. Int. Heat Mass Transfer. 1997 11, pp.2607-2620. 6. Delgado JMPQ 2007 Longitudinal and transverse dispersion in porous media Chem Eng Res Des 2007 85 pp 1245–1252. 7. Ю. М. Максимов, А. Т. Пак, Г. В. Лавренчук, Ю. С. Найбороденко, А. Г. Мержанов. Спиновое горение безгазойых систем. Физика горения и взрыва Краткие сообщения. 1079. сс. 156–158. 8. Т. П. Ивлева. А. Г. Мержанов, К. Г. III к а д и н с к и й. Докл. АН СССР, 1978, 239, 5, 1086. 9. B.V. Novozhilov Quasistationary theory of spiral combustion regime. Internat. J. SHS, 1993, vol.2, no3, pp. 207-213. 10. Sharma, C. S., and R. Hughes, “The Behavior of an Adiabatic Fixed Bed Reactor for the Oxidation of Carbon Monoxide: I. General Parametric Studies,” Chem. Eng. Sci., 34, 613 (1979a). 11. Sharma, C. S., and R. Hughes, “The Behavior of an Adiabotic FixedBed Reactor for the Oxidation of Carbon Monoxide: II. Effect of Perturbations,” Chem. Eng. Sci., 34, 625 (1979b) 12. Mehta, P. S.; Sams, W. N.; Luss, D. Wrong-way behavior of packed-bed reactors: 1. The pseudo-homogeneous model. AIChE J. 1981, 27, 234–246. https://doi.org/10.1002/aic.690270210 13. Boreskov, G. K., and M. G. Slinko, “Modelling of Chemical Reactors,” Pure Appl. Chem., 10,611 (1965). 14. Crider, J. E„ and A. S. Foss, “Computational Studies of Transients in Packed Tubular Chemical Reactors,” AIChE J., 12, 514 (1966). 15. Hoiberg, J. А., В. C. Lyche, and A. S. Foss, “Experimental Evaluation of Dynamic Models for a Fixed-Bed Catalytic Reactor,” AIChE J., 17, 1434 (1971). 16. Pinjala V, Chen YC, Luss D. Wrong-way behavior of packed-bed reactors. II. Impact of thermal dispersion. AICHE J. 1988;34:1663–1672. 17. А. А. Марков. Газодинамические и тепловые эффекты синтеза Микронных частиц методом горения углерода в прямоточном и трехзонном реакторе.// МЖГ, 2022, № 3, с. 17–29. A. A. Markov. Gasdynamic and Thermal Effects of the Synthesis of Micron-Sized Parti-cles by the Carbon Combustion Method in Straight-Flow and Three-Zone Reactors.// ISSN 0015-4628, Fluid Dynamics, 2022, Vol. 57, No. 3, pp. 234–246. DOI: 10.1134/S0015462822030132 18. Vadchenko, S.G., Filimonov, I.A. Wave combustion modes of hafnium in nitrogen// Comb. Explos. & Shock waves, vol.35, issue 2, pp.155-161 (1999) . 19. Ivleva T.P. Merganov A.G. Three-Dimensional Spinning Waves of gasless combustion //Dokl. Akad. Nauk,2000, vol.371, N6, pp.753-758. 20. Марков А. А., Филимонов И. А. Модель нестационарного спирального горения на плоскости //Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2021. Т.22, вып. 3. http://chemphys.edu.ru/issues/2021-22-3/articles/935/ DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.22.3.935 21. Andrey A. Markov and Igor A. Filimonov. Unsteady patterns of spiral spin combustion//Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2021. Т.22, вып. 3. http://chemphys.edu.ru/issues/2021-22-3/articles/938/ DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.22.3.938 22. Scheidegger A. E. The Physics of Flow through Porous Media. University of Toronto Press.1974. p. 353.
