Стартовая >> Архив >> Генерация >> Закрученные потоки

Математическое моделирование потоков в вихревых горелках - 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

При математическом моделировании структуры осредненного течения и процесса горения в вихревых горелках используется ряд идеализаций и упрощений. Возможности такого моделирования оказываются ограниченными в связи со следующими обстоятельствами:

  1. Экспериментальные данные показывают, что турбулентность сильно анизотропна, а все шесть компонент тензора турбулентных напряжений и соответствующие компоненты тензора турбулентной вязкости очень сильно изменяются в пространстве. Учет этого факта оказывает решающее влияние на качество моделирования в зонах воспламенения и стабилизации.
  2. Существенное влияние на картину течения оказывает ПВЯ, но методы, позволяющие описать трехмерные нестационарные течения, сейчас не разработаны. Поэтому наиболее успешно моделируются течения с малоинтенсивной прецессией вихревого ядра (т. е. при S < 1) при горении неперемешанных топлива и окислителя [18, 27, 43—45, 51, 52, 69, 70].
  3. Нельзя игнорировать явление распада вихря, особенно в горелках малого диаметра (Dс < 75 мм) с малой нагрузкой. Как отмечалось выше, при фиксированном параметре закрутки рециркуляционная зона не образуется, пока число Рейнольдса не превысит определенного критического значения; далее протяженность рециркуляционной зоны монотонно возрастает, пока при Re > 105 не достигается автомодельный режим [32, 38, 88, 98]. По этому поводу следует заметить, что при горении за счет нагрева до высоких температур значительно уменьшается кинематическая вязкость, поэтому автомодельный режим реализуется только в устройствах большого размера. Диапазон чисел Рейнольдса, в котором обычно работают вихревые горелки, составляет 2· 104. .. 4·104, где число Re рассчитано по диаметру выходного сечения (De ≈ 75 мм) и кинематической вязкости, взятой при максимальной температуре в пламени. Следовательно, модель, используемая при расчете, должна учитывать влияние числа Рейнольдса на характеристики турбулентности, ее порождение и диссипацию [58]. Несмотря на указанные осложняющие обстоятельства, как показано ниже в данной главе и в гл. 6, при моделировании двумерных осесимметричных и трехмерных течений можно получать вполне обнадеживающие результаты.

Наконец, рассмотрим нестационарные потоки с ПВЯ [89]. Нестационарный характер закрученного потока в случае распада вихря уже давно был обнаружен при исследовании течений в сиренах, в твердотопливных ракетных двигателях, при исследовании прецессирующих вихрей в выходной части закручивающих устройств и вихревых горелок [13, 18, 27, 32—36, 41—46, 51—53], течений в некоторых больших гидравлических аппаратах. Однако всего в нескольких работах предпринимались попытки математического моделирования этих явлений:
1. В работе [13] использовался анализ размерностей.

  1. В работе [90] с помощью линеаризованных уравнений Навье — Стокса получено, что частота звукового сигнала, излучаемого сиреной (т. е. частота прецессии вихревого ядра), связана линейной зависимостью с угловой скоростью ω в ядре, вращающемся как целое (существование ядра постулировалось).
  2. В работе [89] исследованы адиабатические поперечные волны во вращающейся жидкости, причем распределение окружной скорости соответствует распределению в вихре Рэнкина.

Рассмотрим результаты последней работы, относящиеся к бегущим поперечным волнам. Анализ показал, что существуют три типа волн:
1) «быстрые» волны, распространяющиеся в направлении движения жидкости;
2) «быстрые» волны, распространяющиеся навстречу потоку;
3) «медленные» волны, распространяющиеся вниз по потоку. Термин «медленные» используется здесь, чтобы подчеркнуть, что скорость распространения волны меньше скорости потока в ядре вихря. Высокочастотные волны типов 1 и 2 обычно встречаются в системах с большими скоростями, температурами и давлением, таких, как твердотопливные ракетные двигатели, где частоты превышают 1 Гц. Медленные волны типа 3 представляют значительный интерес, так как их частоты близки к частотам прецессии вихревого ядра, что позволяет дать некоторое объяснение рассматриваемому явлению. Хотя математическое описание волнового Движения (воли первой и второй гармоник) в жидкости с распределением окружной скорости по закону вращения в вихре Рэнкина основано на линеаризованных уравнениях, тем не менее рассчитанные частоты медленных волн находятся в удовлетворительном соответствии с данными, полученными при экспериментальном исследовании ПВЯ. Вероятно, вышеупомянутый анализ позволяет найти первоначальное возмущение, которое порождает и определяет дальнейшее поведение ПВЯ. Теоретический анализ показывает, что для образования ПВЯ необходимо, чтобы распределение окружной составляющей скорости было таким, как в вихре Рэнкина, но именно такое, распределение и реализуется во многих закручивающих устройствах и вихревых горелках при истечении в канал с внезапным расширением.

Авторы работы [89] также показали, что их теоретические результаты согласуются с результатами исследования поля звукового излучения сирены, которое представляет собой первую гармонику, соответствующую полю диполя, вращающемуся в выходном сечении трубы.



 
« Живучесть паропроводов стареющих ТЭС   Защита генераторных цепей мощных энергоблоков от перенапряжений »
электрические сети