Аннотация результатов, полученных в 2021 году
На первом этапе выполнения проекта разработаны физико-математические модели, численные алгоритмы, программы реализации численных алгоритмов для исследования закономерностей распространения пламени в газовзвеси угольной пыли. Разработаны подходы, позволяющие 1) решать задачу ламинарного распространения пламени в газовзвеси угольной пыли в одномерной и двухмерной постановке задачи с целью подробного исследования особенностей поведения пламени на этапе ламинарного горения; 2) решать задачу о распространении ударной волны в выработке при наличии взрыва метана с использованием в качестве входного параметра скорости горения газовзвеси; 3) исследовать закономерности распространения пламени в масштабах лабораторной установки с использованием двухмасштабного подхода к моделированию горения газовзвеси (масштаб ламинарного горения - масштаб установки); 4) учитывать неоднородность распределения температуры внутри частицы при распространении пламени в газовзвеси (двухмасштабная модель, масштаб частицы - масштаб газовзвеси). Проведены эксперименты в ВостНИИ, г. Кемерово и Институте гидродинамики СО РАН, г. Новосибирск с целью определения характеристик распространения пламени газовзвеси угольной пыли в условиях сферического объема и ударной трубы. По результатам выполненных работ 1) определены закономерности движения частиц пыли по каналу с учетом высоко- и низкоскоростных газодинамических процессов. Выполнены расчеты распространения ударной волны при наличии горения угольной пыли и метана в канале. Определено влияние подъема пыли со стенок на скорость распространения пламени в угле-метано-воздушной смеси при скоростях движения газа много меньших скорости ударной волны. Показано, что для смесей с высоким содержанием метана высокая концентрация витающей пыли приводит к замедлению пламени. Отрыв частиц от стенок канала также замедляет пламя. 2) Определены закономерности процессов воспламенения газовзвеси в зависимости от параметров газовзвеси (содержание метана или иного реагирующего газа в воздухе, размер, массовая концентрация, дисперсность угольной пыли, отложение пыли на стенках канала в окрестностях источника воспламенения). Показано, что наличие небольшого количества метана в воздухе со взвесью угольной пыли увеличивает скорость распространения пламени в аэровзвеси угольной пыли. Увеличение размера частиц угольной пыли в бедной метано-воздушной смеси неоднозначно влияет на скорость распространения пламени: приводит к уменьшению скорости пламени при малых концентрациях угольной пыли и к увеличению при больших концентрациях. Скорость горения взвеси угольной пыли в бедных метано-воздушной и пропано-воздушной смеси при одинаковых значениях избытка горючего в газе отличаются незначительно. Определены пределы применимости представленной модели горения угле-метано-воздушной смеси. 3) Определены диапазоны изменения давления, а также скорость нарастания давления в замкнутом сферическом объеме при горении аэровзвеси угольной пыли заданного состава. 4) Проведено сравнение результатов расчета скорости пламени в угле-метано-воздушной смеси по двум моделям – с учетом и без учета неоднородности распределения температуры в частицах. Сравнение показало существенное отличие в значениях расчетно-теоретической скорости фронта горения для быстрогорящих составов газовзвесей. Для медленно горящих газовзвесей такое отличие уменьшается. Разработанная модель объясняет смещение максимума скорости распространения пламени в угле-метано-воздушной смеси в сторону избытка горючего в воздухе. 5) Выполнено численное исследование закономерностей распространения пламени в метано-воздушной и пропано-воздушной смесях при горении в цилиндрическом канале. Показано, что видимая скорость распространения пламени газа в узком закрытом канале имеет несколько пиков, связанных с продвижением пламени по каналу. В частности, первый пик для смеси любого состава возникает при достижении пламенем боковых стенок канала. Второй пик возможен в отраженной волне за счет прихода в зону пламени дополнительной энергии и дополнительных несгоревших компонентов газа. Выполнено численное исследование характеристик распространения пламени угле-метано-воздушной смеси в цилиндрическом канале с закрытым и открытым правым торцом в двухмерном осесимметричном приближении. Из численного решения задачи определена динамика распространения пламени в зависимости от состава смеси. Показано, что пламя достигает стенок канала и вытягивается вдоль осевого направления. Скорость распространения пламени угле-метано-воздушной смеси после достижения фронтом горения стенок канала увеличивается. Показано, что для выбранной протяженности канала скорость распространения пламени в канале с закрытым правым торцом выше скорости распространения пламени в открытом канале. Согласно полученным результатам для скорости распространения пламени реализуется несколько максимумов, связанных с установлением пламени. Первый максимум, как указано выше, связан с достижением фронтом горения стенок канала, второй максимум связан с приближением пламени к правому торцу канала. Подготовлено 3 статьи в издания, индексируемых в базах данных Scopus/WoS, сделано 12 докладов на 5 научных конференциях.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
На втором этапе выполнения проекта проведены следующие работы и получены новые научные результаты. 1. Проведен литературный обзор по теме горения одиночных частиц. Выбраны допущения, используемые далее для постановки задач горения мелкодисперсной угольной пыли. Сформулирована физико-математическая модель горения углеметановоздушной смеси с учетом выхода и горения летучих компонентов, гетерогенного горения частиц, гомогенного горения метана в газе и излучения от полидисперсной взвеси частиц. Показано влияние учета лучистого теплопереноса на структуру фронта пламени. Разработана физико-математическая модель горения реакционноспособной смеси в узком цилиндрическом канале с учетом теплообмена на боковой поверхности канала и вязкости газа. Показана структура искривленного фронта горения метановоздушной и пропановоздушной смеси. Дано объяснение возникающей неустойчивости. Проведено параметрическое исследование горения углеметановоздушной смеси в узком цилиндрическом канале с учетом вязкости газа. Показано, что для углеметановоздушной смеси неустойчивость фронта пламени возникает на начальном этапе развития горения и связана с расширением газовзвеси в сторону стенок канала, далее, фронт пламени выравнивается вдоль радиуса канала. Разработана физико-математическая модель горения газовзвеси угольной пыли в бомбе постоянного объема. Представленная модель дает хорошее согласование с данными экспериментальных исследований и может быть в дальнейшем использована для моделирования горения в условиях турбулизации пламени. Исследована структура фронта пламени, рассчитанная с использованием двухмасштабного подхода к горению газовзвеси угольной пыли. Показано, что учет неоднородности температуры в частицах уточняет расчетную скорость распространения фронта пламени. 2. Подробно исследовано возникновение неустойчивости в замкнутом вертикальном канале, описан колебательный характер распространения пламени в канале, определены частоты колебаний скорости горения газовзвеси и дано объяснение наблюдаемому эффекту колебательного режима распространения пламени по каналу. Показан начальный период распространения фронта пламени, определено, что с увеличением массовой концентрации величина видимой скорости перемещения фронта горения растет, начальный импульс давления, обусловленный сгоранием угольной пыли возрастает, что способствует большей амплитуде видимой скорости при дальнейшем распространении фронта горения, вплоть до возникновения отрицательных скоростей и перемещений фронта "назад". 3. Исследованы закономерности распространения пламени угле-метано-воздушной смеси фиксированного состава по разветвленной сети выработок с целью определения влияния углов наклона каналов. Проведено сопоставление результатов с данными из литературы. Как показали расчеты, линейная скорость горения частицы угольной пыли слабо влияет на скорость распространения пламени относительно стенок выработок. Основным параметром, влияющим на скорость распространения пламени, является скорость распространения волны горения относительно газовзвеси. Предложенная для исследования задачи модель позволяет с удовлетворительной точностью прогнозировать интенсивность распространения ударной волны от взрыва метано-воздушной смеси с учетом горения угольной пыли в разветвленных каналах и при наличии углов поворота. 4. Разработан алгоритм расчета распространения ударной волны по выработке при наличии водяных заслонов. Проведенный расчетно-теоретический анализ влияния распространения пламени по газовзвеси угольной пыли, поднятой со стенок выработок при прохождении ударной волны от аварийного взрыва метана в подготовительной выработке, показал, что горение взвеси угольной пыли после аварийного взрыва метана влияет на интенсивность ударной волны. Установлено, что при распространении фронта горения по газовзвеси угольной пыли после взрыва метана за ударной волной поддерживается повышенное давление. Ударная волна, распространяющаяся по выработкам, имеет интенсивность чуть большую, чем в случае, когда угольная пыль не горит. Водяные заслоны обеспечивают существенное снижение интенсивности ударной волны. 5. Проведено исследование падения угольной пыли со стенок и потолка выработки. Разработана физико-математическая модель, учитывающая падение частиц под действием силы тяжести, движение под силой тяжести, снос газовзвеси набегающим потоком. Проведены расчеты для определения массовой концентрации угольной пыли при падении пыли и действии вентиляционного воздуха. С целью последующего сопоставления подготовлена расчетная модель в прикладном пакете Ansys Fluent для исследования процессов движения газовзвеси в канале при наличии эрозии частиц, силы Магнуса, силы тяжести, движения воздуха по каналу. Показано, что при горении углеметановоздушной смеси в узком канале при падении угольной пыли со стенок узкого канала закон отрыва частиц хорошо работает для мелкодисперсной фракции, отрыв приводит к запылению газовзвеси и изменению формы фронта пламени. Для крупнодисперсных частиц отрыв с боковых стенок канала практически не изменяет характеристики распространения пламени газа по каналу. 6. Оптимизированы алгоритмы расчета для решения задач из пунктов 3, 4. Оптимизация коснулась улучшения алгоритмов расчета движения ударной волны при больших углах поворота канала и алгоритмов расчета задач с высоким давлением, возникающим в зоне аварийного взрыва. 7. Проведены экспериментальные работы на базе Института гидродинамики СО РАН (согласно договору НИР). Исследованы особенности распространения пламени в канале с препятствиями в газообразных метановых смесях (9.5% и 7% как эталоны) и в 7% метановых смесях с предварительно взвешенной угольной пылью с массовой концентрацией пыли 0.1-0.4 кг/м3 при атмосферном давлении. Опыты выполнены при искровом инициировании сверху в вертикальной ударной трубе длиной 6.75 м, диаметром 70 мм. Для создания взвесей использовали порошок частиц кузбасского угля размером 0÷200 мкм. Кроме того для уточнения моделей горения газовзвесей угольной пыли проведены экспериментальные исследования возможности существования и характера распространения волны горения в бедных по метану газообразных смесях CH4/Air с объёмным содержанием метана 8, 6, 5 и 5.5% и в тех же газовых смесях с взвешенной угольной пылью при массовой концентрации пыли 0.1 – 0.53 кг/м3. За отчетный период опубликовано семь статей с индексацией в РИНЦ и Scopus. Сделано 10 докладов на 6 научных конференциях.