Стартовая >> Архив >> Генерация >> Закрученные потоки

Стабилизация пламени закруткой - Закрученные потоки

Оглавление
Закрученные потоки
Предисловие
Список обозначений
Характеристики закрученных потоков
Формирование закрученных течений
Основные эффекты закрутки
Теоретические методы
Проблемы моделирования поля течения
Осесимметричные закрученные течения
Неосесимметричные закрученные течения
Экспериментальные методы
Измерение температуры
Лазерный спекл-метод
Закрученные течения в технике
Поршневые двигатели
Газотурбинные двигатели
Топки, горелки, циклоны
Стабилизация пламени
Стабилизация пламени в однородной смеси
Спектр энергии турбулентных пульсаций
Влияние турбулентности на горение и скорость распространения пламени
Стабилизация пламени плохообтекаемым телом
Стабилизация пламени закруткой
Стабилизация пламени в камерах сгорания газотурбинных двигателей
Закрученные струи
Пламена в закрученных потоках
Вихревые явления и огневые смерчи
Характеристики турбулентности в закрученных течениях
Расчет слабозакрученных течений
Характерные особенности закрученных потоков
Рециркуляционные зоны
Размер и форма рециркуляционной зоны
Потеря устойчивости, распад вихри и прецессирующее вихревое ядро
Горение в закрученном потоке
Моделирование потоков в вихревых горелках
Пределы срыва и устойчивость пламени
Математическое моделирование потоков в вихревых горелках
Выбросы загрязняющих веществ
Промышленные топки и камеры сгорания с вихревыми горелками
Расчет сильнозакрученных струй
Расчет сильнозакрученных факелов
Проектирование вихревых горелок
Общие представления о циклонных сепараторах и камерах сгорания
Циклонные сепараторы
Циклонные камеры сгорания
Структура пламени в циклонной камере сгорания
Циклоны, циклонные камеры сгорания, образование рециркуляционного вихря
Расчет течения в циклонной камере
Труба Ранка-Хилша
Вихревые топки
Камеры сгорания газотурбинных двигателей
Шум, вызываемый неустойчивостью горения
Литература

В струях с большими скоростями закрутки, когда параметр S превышает критическую величину, в центре струи вблизи сопла образуется рециркуляционная зона типа тороидального вихря (ЦТВЗ). Эта тороидальная вихревая структура играет важную роль в стабилизации пламени, так как включает зону с интенсивным смешением заполненную горячими продуктами сгорания и функционирующую как резервуар тепла и химически активных веществ. Тепло и вещество передаются от продуктов сгорания в свежую горючую смесь благодаря высокой турбулентности, преобладающей в вихревой области. Рециркуляционная зона в закрученной струе обнаруживает определенное сходство с рециркуляционной зоной за плохообтекаемым телом, но между ними имеются и некоторые важные различия. В отличие от следа за плохообтекаемым телом закрученная струя создает стеснение потока исключительно аэродинамически. В закрученных струях отсутствуют твердые поверхности, контактирующие с газом высокой температуры и подверженные отложению на них кокса, как это случается с плохообтекаемыми телами при горении гетерогенной топливно-воздушной смеси.
Данные об исследованиях зон обратного тока в закрученных струях публиковались в работах [59—61]. Прямое сравнение зон обратного тока, образующихся в следе за лопаточным завихрителем, за дисковым стабилизатором пламени и в кольцевой закрученной струе, показало, что ключевыми факторами, влияющими на размеры рециркуляционной зоны, являются: а) значение параметра закрутки потока S, б) степень стеснения потока Вк, в) степень расширения канала при условии отсутствия отрыва потока от стенок, г) форма стабилизатора пламени. В пламенах, существующих в закрученных потоках, рециркуляционная зона играет важную роль в стабилизации пламени, обеспечивая постоянный источник тепла в виде циркулирующих продуктов сгорания и область пониженной скорости потока, в которой скорость распространения пламени и скорость течения могут сравняться. Длина пламени и расстояние от горелки, на котором пламя стабилизируется, значительно сокращаются. Прямое сравнение полей течения в инертной среде и с горением показывает, что изменение тепловой энергии молекул и атомов происходит в рециркуляционной зоне в закрученном потоке. Газодинамика течения и химико-кинетические процессы становятся независимыми, когда выделение энергии в химической реакции мало по сравнению с энергией турбулентности и оказывает пренебрежимо малое воздействие на поле турбулентного течения.
Характеристики зоны обратного тока в области рециркуляционного течения в закрученном потоке сходны с характеристиками реактора интенсивного смешения в том, что температура и состав газа внутри зоны обратного тока почти однородны [62—64]. Эта зона хорошего перемешивания гидродинамически замкнута и окружена газом. Значение температуры и состав газа в ней определяются количеством и природой топлива, впрыскиваемого в эту зону, а воздейстие на скорости смешения и реакции достигается изменением параметра закрутки S. Таким образом, есть возможность управлять скоростью образования сажи (углерода) и оксидов азота (особенно для топлив с высоким содержанием азота и большой величиной отношения С/Н) и для каждого конкретного пламени определить оптимальные условия, при которых будет образовываться минимум загрязняющих веществ.
Величины расхода газа в обратном токе внутри рециркуляционной зоны, определенные без горения и при горении, показывают лишь очень слабые возмущения в поле течения (рис. 2.19). Из этих результатов следует, что при большом параметре закрутки (S = 2,2) максимальный расход газа в обратном потоке составляет около 80 % от расхода газа на входе в случае отсутствия горения и около 70 % при горении Воздействие горения должно уменьшать закрутку, которая имела бы место без горения.
В работе [65] в модельной камере сгорания с двумя коаксиальными закрученными струями были проведены измерения (без горения), чтобы определить влияние внешней струи на рециркуляционную зону (которая при горении используется для стабилизации пламени).


Рис. 2 19. Относительный расход газа в обратном потоке циркуляционной зоны в закрученном потоке при горении и в изотермических условиях [60]: сплошная линия — изотермические условия; штриховая линия — при горении.

Было установлено, что по мере того, как степень закрутки (внешней струи) вначале уменьшалась от максимального значения при противоположной закрутке и до нуля, а затем возрастала, пока не устанавливалась односторонняя и одинаковая по величине закрутка струи, размеры рециркуляционной зоны и скорость газа в обратном токе уменьшались. В этом исследовании рециркуляционная зона возникала только при противоположной закрутке и находилась вблизи сечения выхода внутренней струи. Рециркуляционная зона представляла собой однополостной вихревой тороид с очень малой скоростью рециркуляции. Обзор соответствующих данных дан в гл. 4.
В работе [66] описано фронтовое устройство оригинальной камеры сгорания с большим количеством коаксиально расположенных и эшелонированных по длине кольцевых завихрителей, имеющее определенные преимущества по сравнению с фронтовым устройством традиционной камеры, в которой стабилизация пламени обеспечивается с помощью одиночного кольцевого завихрители с тангенциальным входом или завихрители лопаточного типа, и, в частности, реализуются более широкие пределы стабилизации пламени, большее отношение концентраций топлива на «богатом» к концентрации на «бедном» пределе устойчивого горения, более высокая объемная скорость тепловыделения и т. п. (гл. 4). В этой камере использован принцип, в соответствии с которым высокая объемная скорость тепловыделения в турбулентном потоке может быть достигнута посредством согласования концентраций и направлений потоков реагентов таким образом, чтобы области больших концентраций топлива охватывали бы зоны потока с высокими значениями касательных напряжений. Фронтовое устройство камеры состоит из большого количества концентрических кольцевых расширяющихся сопел, внутренняя кромка горловины каждого сопла определенным образом согласована с наружной кромкой соседнего (внутреннего) сопла.


Рис. 220. Пределы стабилизации пламени в камере сгорания с большим количеством кольцевых завихрителей Подвод топлива вдоль оси только в кольцевой канал 1; в остальные кольцевые каналы подводится воздух.

Проведенные с такой горелкой экспериментальные исследования показали, что можно получить пламена самых различных форм и размеров, используя либо один подвод топлива в центре основания горелки, либо большое количество подводов. Подробное описание форм и размеров пламен, полученных при изменении способа впрыска топлива и т. п., содержится в работе [67]. Пределы устойчивого горения для рассматриваемой горелки намного шире по сравнению с пределами для традиционной горелки с завихрителем и осевым подводом топлива (рис. 2.20; горение продолжается вплоть до полного прекращения подачи топлива в центре основания горелки вдоль ее оси).

Рис. 2.21. Зоны обратного тока в следе за диском и за завихрителем в диффузорном канале [67].

Многостадийный характер процесса горения выгоден также и с точки зрения снижения выброса (эмиссии) NO при сжигании низкокипящих фракций топлив с высоким содержанием азота, например топлив, полученных из сланцев, угля и т. д. При этом сохраняется высокая объемная скорость тепловыделения (более 4-107 кДж/(м3ч)). Камера сгорания газотурбинного двигателя с таким фронтовым устройством привлекает, кроме того, возможностью облегчить решение проблемы организации пленочного охлаждения (см. гл. 4).
На рис. 2.21 проведено сопоставление границ зон обратного тока для завихрители и диска [54]. Можно видеть, что, несмотря на наличие расхода газа через завихрители наибольшая ширина зоны обратного потока превышает диаметр завихрители, отклонение потока в радиальном направлении от оси симметрии лопатками завихрители, а также стенками расширяющегося канала приводят к созданию «вакуума» в центральной зоне, которая «заполняется» газом из находящихся ниже по течению областей потока. В случае диска границы зоны обратного потока вначале расходятся, а затем сходятся к застойной точке. Форму и размеры зоны обратного тока обычно характеризуют ее длиной, наибольшим диаметром и объемом.

Рис. 2 22. Ламинаризация турбулентного струйного пламени при вращении окружающего воздуха с помощью экрана из проволочной сетки. Шлирен-фотоснимки: а — неподвижная сетка; б- вращающаяся сетка.


Рис. 2.23. Теоретически и критерий устойчивости вихревых потоков с радиальными градиентами осевой скорости и плотности [67].

В целом использование закрутки в устройствах с горением приводит, как обсуждалось выше, к увеличению скорости смешении. При определенных условиях, однако, закрутка может давать противоположный эффект и приводить к стабилизации (ламинаризации) течения. Пример такой ламинаризации турбулентного струйного пламени показан на рис. 2.22. Для придания вращения воздуху, окружающему пламя, использовался экран из проволочной сетки [68]. В случае неподвижного экрана шлирен-фотоснимки указывают на турбулентный характер струйного пламени, но в случае вращающегося экрана течение становится устойчивым. Стабилизация потока уменьшает скорость смешения и вовлечение в горение окружающего воздуха, что приводит к значительному удлинению пламени. Такое явление часто наблюдается в завихрениях пламени при пожарах.
В работе [69] получен критерий устойчивости закрученных потоков, имеющих осевую скорость и радиальный градиент плотности Это сделано на основании рассмотрения развития во времени бесконечно малых возмущений скорости, давления и плотности для случая несжимаемого закрученного потока в кольцевом канале между двумя концентрическими цилиндрами бесконечной длины. В соответствии с критерием устойчивости течение будет стабильным, если и циркуляция 2πrw, и плотность р представляют собой монотонно возрастающие функции радиуса, но радиальные градиенты осевой скорости и скорости вращательного движения остаются малыми. Течения с большими градиентами скорости и с отрицательными градиентами либо циркуляции, либо плотности потенциально неустойчивы, как показано на рис. 2.23.
В работе [69] сделан также вывод, что течения с отрицательными радиальными градиентами плотности не могут быть стабилизированы введением больших положительных градиентов циркуляции. Полученный критерий использовался для оценки радиальных перетеканий между рабочим телом и продуктами ядерной реакции в ракетах с газовыми ядерными двигателями.

Прандтль |70] использовал энергетический метод для анализа течений с градиентами плотности, а также течений в поле центробежных сил и показал, что устойчивость стратифицированных потоков кроме обычной зависимости от числа Рейнольдса зависит от величины параметра стратификации (известного как число Ричардсона). Число Ричардсона определяется выражением
(2.54)
где индекс ω относится к стенке.
Для пламени во вращающемся потоке существенное влияние оказывают как градиенты момента количества движения, так и градиенты плотности газа. В стабилизированном режиме эти силы противодействуют силам сдвигового трения, которые генерируют (и увеличивают) турбулентность. Сдвиговые силы прямо пропорциональны градиенту скорости du/dr. Если рассматривать силу тяжести как фактор второю порядка малости и принять в качестве критерия ламинаризации отношение центробежных сил в поле градиента плотности к силам сдвигового трения, то модифицированное число Ричардсона будет выглядеть следующим образом:
(2.55)
Здесь ускорение свободного падения заменено на ускорение в поле центробежных сил. Эффект повышения устойчивости начинает проявляться при Ri* > 0. В работе (71) показано, что во вращающейся среде стабилизирующие и ламинаризирующие течения силы начинают доминировать при Ri* > 1.



 
« Дискуссия по поводу взрывобезопасности систем пылеприготовления   Защита генераторных цепей мощных энергоблоков от перенапряжений »
электрические сети