克努森过渡区中细铁颗粒的点火
流体动力学
2023-07-06 v1
摘要
本文考虑了一个理论模型，用于预测细铁颗粒发生热失控（即点火温度）所需的最低环境气体温度。该模型考虑了克努森过渡输运效应，当颗粒尺寸与周围气体的分子平均自由程相当或更小时，该效应变得显著。本文分析了两种用于铁高温固相氧化的动力学模型。第一种模型（抛物线动力学）考虑了颗粒表面氧化铁层对氧化速率的抑制作用，以及独立于气态氧化剂浓度的动力学速率。通过考虑氧化层生长的非定常分析，求解了点火温度作为颗粒尺寸和初始氧化层厚度的函数。在小颗粒极限下，过渡热输运的热绝缘效应可导致点火温度随颗粒尺寸减小而降低。然而，氧化层的存在减缓了反应动力学，其在小颗粒极限下占比的增加可导致点火温度随颗粒尺寸减小而升高。对于足够大的初始氧化层厚度，可观察到这一效应。与过渡输运模型相比，连续介质输运模型预测直径大于30 m的初始铁颗粒的点火温度，误差在3%（30 K）或更小以内。第二种动力学模型（一级动力学）考虑了多孔、非阻碍的氧化层，以及氧化动力学速率对气态氧化剂浓度的线性依赖。利用过渡和连续介质输运模型，将点火温度求解为颗粒尺寸的函数，并讨论了两种模型预测的点火特性之间的差异。
引用
@article{arxiv.2302.06704,
title = {The ignition of fine iron particles in the Knudsen transition regime},
author = {Joel Jean-Philyppe and Aki Fujinawa and Jeffrey M. Bergthorson and XiaoCheng Mi},
journal= {arXiv preprint arXiv:2302.06704},
year = {2023}
}