Asymptotics of critical conditions in one combustion model

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The work is devoted to solving the problem of critical conditions for an autocatalytic combustion model, taking into account the consumption of reagent and oxidizer. By use the methods of geometric theory of singular perturbations, the analysis of the mathematical model of this process show that there are two main types of combustion modes: the slow combustion mode and the thermal explosion mode. The critical mode is intermediate between them. In the paper, the condition of the critical regime is obtained in the form of an asymptotic representation of the corresponding value of the system parameter reflecting the heat loss from the reaction phase.

Full Text

Введение

В биологии, химии, механике и многих других областях встречается немало прикладных задач, характерной чертой которых является одновременное протекание сильно отличающихся по скорости процессов. Такие задачи описываются сингулярно возмущенными системами. Большой интерес представляет исследование критических явлений, при которых качественно меняется характер поведения траекторий системы. В горении так называемый критический режим разделяет режим медленного выгорания и режим теплового взрыва [1-5]. Его важная особенность заключается в том, что температура в реакторе достигает больших значений, чем при режиме медленного горения, но при этом реакция протекает со скоростью значительно меньшей, чем при режиме теплового взрыва.

1. Постановка задачи

 Рассмотрим модель горения газовой смеси с учетом расхода реагента и окислителя. В безразмерной форме модель принимает вид [6; 7]:

γdθdτ=ϕ(η,ξ)expθ1+βθα(θθamb),dηdτ=ϕ(η,ξ)expθ1+βθ,dξdτ=λϕ(η,ξ)expθ1+βθ. (1.1)

Здесь η, ξ и θ — безразмерные концентрации реагента и окислителя и безразмерная температура, соответственно; θamb — безразмерная температура окружающей среды; α — параметр, характеризующий теплоотвод из реакционной фазы. Параметр λ — отношение стехиометрических коэффициентов и начальных концентраций реагента и окислителя. Случай λ<1 отвечает обедненной горючей смеси, и завершение процесса горения связано с полным выгоранием горючего. Если λ>1, то смесь является богатой, процесс горения завершится после полного расхода окислителя. В случае стехиометрической смеси (λ=1) горючее и окислитель заканчиваются одновременно. ϕ(η,ξ) — кинетическая функция для безразмерных переменных, которая в случае автокаталитической реакции по реагенту и окислителю принимает вид

ϕ(η,ξ)=ηa11+η0ηa2ξb11+ξ0ξb2,

где a1, a2, b1, b2 — константы, определяющие порядок реакции [8]. Порядки реакций могут быть любые, в том числе дробные.

Начальные условия для (1) имеют вид

θ(0)=0,η(0)=1,ξ(0)=1. (1.2)

Первый интеграл системы (1)

ξ1=λ(η1)

позволяет свести рассмотрение (1)–(2) к задаче

γdθdτ=ψ(η)expθ1+βθα(θθamb)=g(θ,η),dηdτ=ψ(η)expθ1+βθ=f(θ,η), (1.3)

 где ψ(η)=ηa11+η0ηa2(λ(η1)+1)b1ξ0λ(η1)b2, с начальными условиями:

θ(0)=0,η(0)=1. (1.4)

γ и β — малые параметры, θamb положительна, когда начальная температура газовой смеси ниже температуры окружающей среды, в ином случае отрицательна.

Анализ поведения траекторий системы проводится на основе геометрической теории сингулярных возмущений и метода инвариантных многообразий [5; 9]. Такой подход позволяет определить существенные особенности динамики решений дифференциальной системы, даже не решая ее, опираясь на анализ так называемого вырожденного (алгебраического) уравнения. Далее, применяя асимптотические разложения для инвариантных многообразий, этот подход позволяет найти условия возникновения различных критических явлений. В задачах горения такой подход применялся, например, в работах [1–5; 10; 11].

В данной статье рассмотрен случай a1=b1=b2=1 и a2=2 для стехиометрической смеси (λ=1), а именно функция ψη в системе (3)–(4) для рассматриваемого случая имеет вид ψ(η)=η21+η0η2ξ0η+1.

2. Основные результаты

2.1. Медленная кривая

Уравнение

γdθdτ=ψ(η)expθ1+βθα(θθamb)

определяет быструю подсистему системы (3)–(4). Положив в нем γ=0, получим

ψ(η)expθ1+βθα(θθamb)=0.

Полученное уравнение определяет так называемую медленную кривую [5] системы (3)–(4), которая является эффективным средством для описания поведения ее траекторий. Фазовая точка системы (3)–(4) вблизи медленной кривой имеет скорость порядка единицы при γ0, а вдали от медленной кривой температура θ меняется со скоростью порядка O1γ. В γ–окрестности медленной кривой существует медленное инвариантное многообразие системы, которое определяется как инвариантное множество медленных движений [9]. Медленная кривая состоит из устойчивых (для них выполняется неравенство g/θ<0) и неустойчивых (g/θ>0) участков, разделенных точкой срыва. Устойчивые и неустойчивые части медленной кривой представляют собой нулевое приближение (γ = 0) устойчивых (или притягивающих) и неустойчивых (или отталкивающих) медленных инвариантных многообразий системы (3)–(4) соответственно.

В рассматриваемом случае точка срыва: θ*=1+θamb+2(1+θamb)β+O(β2). Участок медленной кривой, для которого θ<θ* является устойчивым и притягивает траектории системы, а участок, где θ>θ*, наоборот, их отталкивает.

На рисунке 2.1 изображены медленная кривая и траектории системы (3)–(4). В случае, представленном на рисунке 2.1, а, траектория, начавшаяся в точке η=1;θ=0, притягивается к устойчивой части медленной кривой и идет в ее γ–окрестности до η=0;θ=θamb, причем безразмерная температура не будет превышать значения θ*. Такая траектория соответствует режиму медленного горения.

 

Рис. 2.1: Медленная кривая (пунктирная линия) и траектория (сплошная линия) системы (3)–(4), построенные при следующих значениях параметров: γ=0,01; β=0,01; η0=0,9; ξ0=0,9; θamb=-1,5; а — α=0,7; б — α=0,5

Fig. 2.1. Slow curve (dotted line) and trajectory (solid line) of the system (3)–(4), constructed with the following parameter values: γ=0,01; β=0,01; η0=0,9; ξ0=0,9; θamb=-1,5; а — α=0,7; б — α=0,5 

 

В случае, представленном на рисунке 2.1, б, траектория находится в области влияния неустойчивого участка медленной кривой и, оттолкнувшись от него, стремится вправо, достигая высоких значений температуры. Это режим теплового взрыва.

Кроме перечисленных возможен третий вариант, в котором медленная кривая имеет точку самопересечения, а траектория системы движется сначала вдоль устойчивого участка медленной кривой, затем, пройдя точку самопересечения (точку срыва), продолжает свое движение вдоль ее неустойчивого участка. Последний сценарий отвечает критическому режиму, а такие траектории носят название траекторий-уток [5; 9; 12–14]. В следующем параграфе найдено условие протекания данного режима.

2.2. Критические условия

Критический режим моделируется так называемым управляющим параметром, в данном случае — параметром, характеризующим теплоотвод из реакционной фазы. Критическое значение параметра α находится при построении траектории-утки, а именно так, чтобы позволить склеить устойчивое и неустойчивое инвариантные многообразия. Для начала найдем координаты точки срыва. Она удовлетворяет следующей системе:

g(θ,η)=0,gθ=0.

Подставив g(θ,η), получим

ψ(η)expθ1+βθα(θθamb)=0,ψ(η)expθ1+βθ(1+βθ)2α=0. (2.1)

Система (2.1) сводится к уравнению

α(θθamb)(1+βθ)2=0.

Случай, когда параметр α=0 не рассматривается, поэтому приравняем к нулю выражение для θ. Получим уравнение

β2θ2+(2β1)θ+1+θamb=0,

которое является квадратным относительно θ. Здесь и далее функции, зависящие от β, будем представлять в виде ряда Маклорена по малому параметру β и оставлять лишь первое приближение (поскольку β — малый параметр и более высокий порядок приближения будет незначительно отличаться от первого). Тогда значение θ в точке срыва будет

θ*=1+θamb+2(1+θamb)β+O(β2).

Концентрацию топлива и критическое значение параметра, характеризующего теплоотвод, будем искать в виде асимптотических рядов по степеням γ:

η(θ,γ)=h0(θ)+γh1(θ)+O(γ2), (2.2)

 

α*(γ)=α0+γα1+O(γ2). (2.3)

Подставляя разложения (2)–(3) в уравнение инвариантности [9]

(h'0(θ)+γh'1(θ)+O(γ2))g(θ,η)=γf(θ,η) (2.4)

 и приравнивая коэффициенты при одинаковых степенях малого параметра, найдем коэффициенты разложения в (2).

Полагая γ=0 (рассматривая коэффициенты при γ0), получим уравнение медленной кривой

F(h0,θ)=ψ(h0)expθ1+βθα(θθamb)=0. (2.5)

В случае автокаталитической реакции при критическом режиме точка срыва совпадает с точкой самопересечения медленной кривой, поэтому будем искать h0(θ*) и α0 такими, чтобы выполнялось условие самопересечения медленной кривой, т. е.

Fh0=2h0(1+η0h0)2(ξ0h0+1)2h02(1+η0h0)(ξ0h0+1)h02(1+η0h0)2)××expθ1+βθ=0,Fθ=h02(1+η0h0)2(ξ0h0+1)expθ1+βθ(1+βθ)2α=0. (2.6)

Из первого уравнения системы (2.6) найдем h0(θ*):

h0(1+η0h0)[5h02h0(4ξ0+3η0+7)+2ξ0+2η0ξ0+2η0+2]=0,

откуда получим четыре значения:

h0,1(θ*)=0,h0,2(θ*)=1+η0,h0,3(θ*)=4ξ0+3η0+7+16ξ02+9η0216ξ0η0+16ξ0+2η0+910,

h0,4(θ*)=4ξ0+3η0+716ξ02+9η0216ξ0η0+16ξ0+2η0+910.

h0,1(θ*), h0,2(θ*), h0,3(θ*) выходят за рамки интересующей области, поэтому

h0(θ*)=4ξ0+3η0+716ξ02+9η0216ξ0η0+16ξ0+2η0+910.

Из уравнения медленной кривой (2.5) найдем значение α0 — нулевого приближения параметра α:

α0=1054ξ0+3η0+7K24ξ0+7η0+3+K2××6ξ03η0+3+Ke1+θamb(1(θamb+1)2β+O(β2)), (2.7)

 где K=16ξ02+9η0216ξ0η0+16ξ0+2η0+9.

Теперь выпишем из уравнения инвариантности (2.4) равенство коэффициентов при первой степени малого параметра γ:

(h'0+γh'1+O(γ2))(h0+γh1+O(γ2))2(1+η0h0γh1O(γ2))2(ξ0h0γh1O(γ2)+1)×

×expθ1+βθ(α0+γα1+O(γ2))(θθamb)]=γ(h0+γh1+O(γ2))2(1+η0h0γh1O(γ2))2×

×(ξ0h0γh1O(γ2)+1)expθ1+βθ.

C учетом уравнения медленной кривой (2.5) получим

h'02h1h0(1+η0h0)2(ξ0h0+1)+2h02(1+η0h0)(h1)(ξ0h0+1)+h02(1+η0h0)2(h1)×

×expθ1+βθh'0α1(θθamb)=h02(1+η0h0)2(ξ0h0+1)expθ1+βθ.

Отсюда получим формулу для h1θ:

h1(θ)=h'0α1(θθamb)h02(1+η0h0)2(ξ0h0+1)expθ1+βθh'02h0(1+η0h0)2(ξ0h0+1)2h02(1+η0h0)(ξ0h0+1)h02(1+η0h0)2expθ1+βθ.

Заметим, что знаменатель полученной дроби обращается в 0 в точке срыва. С целью обеспечения непрерывности η(θ,γ) потребуем, чтобы в этой точке числитель также обращался в 0. Тогда мы можем выразить коэффициент α1 в (3):

α1=α0h'0(θ*). (2.8)

Чтобы посчитать h'0θ, найдем из уравнения медленной кривой вторую производную по θ:

d2Fdθ2=Fh0h0(h'0)2+Fh0h''0+2Fh0θh'0+Fθθ=Fh0h0(h'0)2+2Fh0θh'0+Fθθ=0.

Из этого следует:

h'0(θ)=Fh0θ±Fh0θ2Fh0h0FθθFh0h0.

Посчитаем необходимые производные:

Fh0θ=2h0(1+η0h0)2(ξ0h0+1)2h02(1+η0h0)2(ξ0h0+1)h02(1+η0h0)2(ξ0h0+1)×

×expθ1+βθ(1+βθ)2,

Fθθ=h02(1+η0h0)2(ξ0h0+1)expθ1+βθ(1+βθ)42β(1+βθ)3,

Fh0h0=4(1+η0h0)[h02h0(1+η0h0)2h0(ξ0h0+1)]+2(ξ0h0+1)[(1+η0h0)2+2h02]×

×expθ1+βθ.

С учетом (2.5) и (2.6) значения производных в точке срыва будут иметь вид

Fh0θ(θ*)=0,

Fθθ(θ*)=α0[(1+βθ)22β(1+βθ)1]θ=θ*,

Fh0h0(θ*)=8h0(1+η0h0)(ξ0h0+1)23h02(1+η0h0)22(ξ0h0+1)expθ1+βθθ=θ*.

Приняв во внимание тот факт, что η — убывающая функция, подставим h'0(θ*) в (8):

α1=α0Fh0h0(θ*)Fθθ(θ*)=α0h0(1+η0h0)[8(ξ0h0+1)2+3h0(1+η0h0)]expθ1+βθ(1+βθ)22(ξ0h0+1)(12β(1+βθ))θ=θ*.

Подставим в это выражение θ=θ*:

α1=α04ξ0+3η0+7K(4ξ0+7η0+3+K)[8(6ξ03η0+3+K)2+34ξ0+3η0+7K(4ξ0+7η0+3+K)]2103(6ξ03η0+3+K)××e1+θamb1+3(θamb1)22β+O(β2). (2.9)

Итак, найдено критическое значение параметра α в первом приближении:

α*(γ)=α0+γα1+O(γ2),

где α0 определено выражением (2.7), а α1 — выражением (2.9). На рисунке 2.2 представлены медленная кривая, соответствующая критическому режиму, и траектория-утка системы.

 

Рис. 2.2. Медленная кривая (пунктирная линия) и траектория (сплошная линия) системы (3)–(4), построенные при следующих значениях параметров: γ=0,01; β=0,01; η0=0,9; ξ0=0,9; θamb=-1,5; α=0,50796334626.

Fig. 2.2. The slow curve (dotted line) and trajectory (solid line) of the system (3)–(4), constructed with the following parameter values: γ=0,01; β=0,01; η0=0,9; ξ0=0,9; θamb=-1,5; α=0,50796334626.

 

Если сравнить с графиками, представленными на рисунке 1, то можно заметить, что при критическом режиме температура θ принимает гораздо большие значения, чем при режиме медленного горения, однако рост температуры происходит медленно, с контролируемой скоростью по сравнению с мгновенным ростом в режиме теплового взрыва. Этот факт имеет важное прикладное значение.

Выводы

 Рассмотрена сравнительно новая модель автокаталитической реакции горения с учетом расхода реагента и окислителя. Найдено асимптотическое разложение значения параметра, отвечающего за теплоотвод из реакционной фазы, при котором в системе наблюдается критический режим. Такой режим интересен тем, что значение температуры газа может быть сравнительно высоким, но при этом сам процесс горения останется безопасным и не приведет к взрыву.

×

About the authors

Elizaveta S. Dolgova

Samara National Research University

Author for correspondence.
Email: dolgova.es@ssau.ru
ORCID iD: 0009-0004-7924-1356

post-graduate student of the Department of Differential Equations and Control Theory

Russian Federation, Samara

References

  1. Gorelov G.N., Sobolev V.A. Mathematical modeling of critical phenomena in thermal explosion theory. Combustion and Flame, 1991, vol. 87, issue 2, pp. 203–210. DOI: https://doi.org/10.1016/0010-2180(91)90170-G.
  2. Gorelov G.N., Sobolev V.A. Duck-trajectories in a thermal explosion problem. Applied Mathematics Letters, 1992, vol. 5, issue 6, pp. 3–6. DOI: https://doi.org/10.1016/0893-9659(92)90002-Q.
  3. Sobolev V.A., Shchepakina E.A. Self-ignition of dusty media. Combustion, Explosion and Shock Waves, 1993, vol. 29, issue 3, pp. 378–381. DOI: https://doi.org/10.1007/BF00797664. (In Russ.)
  4. Sobolev V.A., Shchepakina E.A. Duck-trajectories in a problem of combustion theory. Differential equations, 1996, vol. 32, no. 9, pp. 1177–1186. Available at: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=13231308. EDN: https://www.elibrary.ru/ldobkp. (In English; original in Russian)
  5. Sobolev V.A., Shchepakina E.A. Model reduction and critical phenomena in macrokinetics. Moscow: FIZMATLIT, 2010, 320 p. Available at: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=21326259. EDN: https://www.elibrary.ru/ryrtfh. (In Russ.)
  6. Shchepakina E. Unstable invariant manifolds in a control problem of the combustion process of a gas mixture. In: 2022 16th International Conference on Stability and Oscillations of Nonlinear Control Systems (Pyatnitskiy’s Conference). Moscow, Russian Federation: IEEE, 2022, pp. 1–4. DOI: http://doi.org/10.1109/STAB54858.2022.9807573.
  7. Sobolev V., Shchepakina E. Critical conditions of a thermal explosion in the case of autocatalytic combustion with account reagent and oxidant consumption. In: 2023 16th International Conference Management of large-scale system development (MLSD). Moscow, Russian Federation: IEEE, 2023, pp. 1–4. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/MLSD58227.2023.10304029.
  8. Emanuel N.M., Knorre D.G. Course of chemical kinetics. Moscow: Vysshaya shkola, 1984, 463 p. Available at: https://studizba.com/files/show/djvu/2958-1-n-m-emanuel-d-g-knorre–kurs.html. (In Russ.)
  9. Shchepakina E., Sobolev V., Mortell V. Singular Perturbations. Introduction to System order Reduction Methods with Applications. Springer Lecture Notes in Mathematics, 2014, vol. 2114, 212 p. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-319-09570-7.
  10. Shchepakina E. Black swans and canards in self-ignition problem. Nonlinear Analysis: Real Word Applications, 2003, vol. 4, issue 1, pp. 45–50. DOI: https://doi.org/10.1016/S1468-1218(02)00012-3.
  11. Shchepakina E., Sobolev V. Black swans and canards in laser and combustion models. In: Singular perturbations and hysteresis (Eds. M.P. Mortell, R.E. O’Malley, A. Pokrovskii, V.A. Sobolev). Philadelphia: SIAM, 2005, pp. 207–255. DOI: http://dx.doi.org/10.1137/1.9780898717860.ch8.
  12. Benoit E., Callot J. L., Diener F., Diener M. Chasse au canard. Collectanea Mathematica, 1981, vol. 31–32, pp. 37–119. Available at: https://www.researchgate.net/publication/265548510_Chasse_au_canard.
  13. Shchepakina E., Sobolev V. Integral manifolds, canards and black swans. Nonlinear Analysis, Theory, Methods and Applications, 2001, vol. 44, issue 7, pp. 897–908. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/S0362-546X(99)00312-0.
  14. Shchepakina E., Sobolev V. Invariant surfaces of variable stability. Journal of Physics: Conference Series, 2016, vol. 727, p. 012016. DOI: http://dx.doi.org/10.1088/1742-6596/727/1/012016.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig. 2.1. Slow curve (dotted line) and trajectory (solid line) of the system (3)–(4), constructed with the following parameter values: γ=0,01; β=0,01; η0=0,9; ξ0=0,9; θamb=-1,5; а — α=0,7; б — α=0,5 

Download (94KB)
3. Fig. 2.2. The slow curve (dotted line) and trajectory (solid line) of the system (3)–(4), constructed with the following parameter values: γ=0,01; β=0,01; η0=0,9; ξ0=0,9; θamb=-1,5; α=0,50796334626.

Download (48KB)

Copyright (c) 2024 Dolgova E.S.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».