Модель двухтемпературной среды газ - твердые наночастицы с лазерным пиролизом метана

Abstract

Создана математическая модель двухфазной химически активной среды из газа и твердых ультрадисперсных частиц в поле лазерного излучения с детализированными процессами теплообмена между газом и частицами. Математическая модель представляет собой систему уравнений Навье-Стокса в приближении малых чисел Маха и нескольких температур, которая описывает динамику вязкой многокомпонентной теплопроводной среды с диффузией, химическими реакциями и подводом энергии посредством лазерного излучения. Разработан вычислительный алгоритм для изучения химических процессов в газопылевой среде с односкоростной динамикой многокомпонентного газа при воздействии лазерного излучения. Для данной математической модели характерно наличие нескольких сильно различающихся между собой временных и пространственных масштабов. Вычислительный алгоритм построен на основе схемы расщепления по физическим процессам. Для двухфазной среды из многокомпонентного газа и нанодисперсных твердых частиц проведены теоретические исследования разнонаправленных процессов тепловой релаксации и специфического нагрева-охлаждения компонент двухфазной среды лазерным излучением, тепловыми эффектами химических реакций и собственным излучением частиц. Показано, что лазерное излучение может сформировать отрыв температуры частиц от температуры газа и обеспечить активацию метана с конверсией в этилен и водород. Разработанная численная модель найдет свое применение в создании новых технологий лазерной термохимии.