Численное исследование конверсии метановых смесей под воздействием лазерного излучения

В настоящей работе проведено исследование лазерной конверсии метановых смесей при различных условиях проведения вычислительного эксперимента. Подобные течения характеризуются резкими локальными изменениями газодинамических характеристик и концентраций компонент смеси. Их динамика и взаимные превращения описываются жесткой системой из уравнений Навье-Стокса и химической кинетики, что накладывает серьезные ограничения на выбор вычислительного алгоритма. Вычислительные эксперименты проводились с использованием ранее разработанного 2D-кода для моделирования дозвуковых осесимметричных течений многокомпонентной среды, дополненным модулем для учета лазерного излучения и модулем решения уравнений химической кинетики конверсии метана. Верификация результатов осуществлялась посредством расчетов конверсии метана под воздействием внешнего обогрева стенок. Сопоставление концентраций веществ на выходе из трубы с непосредственным решением системы дифференциальных уравнений химической кинетики при различных температурах проведения реакции показало хорошее соответствие результатов. Проведены вычислительные эксперименты по воздействию лазерного излучения на течение химически активной поглощающей среды. Показано, что вводимое в смесь лазерное излучение, поглощаемое этиленом, изменяет характер течения и значительно увеличивает температуру газовой смеси. Повышение температуры способствует увеличению выхода целевых продуктов (этилена, ацетилена, водорода) на меньшей длине реактора, в то время как в отсутствии излучения максимальные концентрации продуктов появляются на выходе из реактора. Исследовано влияние исходного состава газовой смеси на конверсию метана, сделан вывод, что наличие этилена значительно увеличивает образование целевых продуктов при умеренных температурах стенок реактора в присутствии лазерного излучения.