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.
