Стартовая >> Архив >> Генерация >> Закрученные потоки

Труба Ранка-Хилша - 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

Труба Ранка — Хилша представляет собой устройство, которое используется как дешевый холодильник Общая схема трубы показана на рис. 5.42. Обычная длина трубы равна 5D0.

Рис. 5.42. Схема трубы Ранка — Хилша с тангенциальными входными каналами .

Горячий газ выходит через кольцевой выход с одного конца трубы, а холодный газ через центральный выход — с другого. Сжатый воздух подается в трубу Ранка—Хилша с высокой скоростью (150 ... 200 м/с) через ряд тангенциальных входных каналов, расположенных на конце трубы. Вследствие адиабатического сжатия и расширения турбулентных вихрей в поле центробежных сил с неадиабатическим распределением температуры и изменяющей по радиусу осевой скоростью происходит энергетическое разделение газа; здесь требуется тщательная разработка конструкции для максимального использования свойства 3 (разд. 5.1) в нужной области поля течения.
Типичная конструкция трубы Ранка — Хилша со встречным и спутным направлением потоков показана на рис. 5.43 [62— 68, 149—155].

Рис. 5.43. Схемы труб Ранка — Хилша
а — противоточного типа; б — прямоточного типа.

Рис. 5.44. Зависимость температур горячего и холодного потоков от отношения потоков масс.
Поток с высокой скоростью (М > 0,5) поступает в трубу через одно или не сколько сопел, расположенны тангенциально на конце устройства, и течет вдоль тру бы. Горячий газ выходит другого конца трубы через уз кий кольцевой канал, примы кающий к стенкам трубы. Холодный поток отбирается из центральной зоны у торце вой стенки с той же стороны с которой расположены тангенциальные входные каналы или течет соосно с горячим газом (спутные потоки).  Диапазон температурного разделения в трубе показан на рис. 5.4б, где нанесены перепады относительных полных температур, измеренных в шести поперечных сечениях и в одном сечении со стороны холодного выхода. Заметим, что различие положения кривых составляет 2°, так что полные температуры в наружных слоях отличаются мало.

Рис 5.45. Оптимальные геометрические параметры трубы Ранка — Хилша [152] D0 = 94 мм., L — 520 мм, dc = 35 мм. D'экв.= 21,5 мы, Dt = 25 мм.
1 — трубка Вентури; 2- манометр; 3 — трубка Вентури; 4, 5, 6 —термопары.

В центральной области потока точка минимальной полной температуры расположена совсем близко к тангенциальным входным каналам, что указывает на целесообразность размещения холодного выхлопа на этом конце устройства.
Радиальные распределения окружной и осевой скоростей в вихревой трубе показаны на рис. 5.47 [152]. С увеличением расстояния от входа форма профилей вращательной составляющей скорости сильно меняется. Вначале зона вынужденного вихревого течения простирается до ≈0,9, но по мере продвижения потока по трубе такое течение постепенно переходит в течение по закону, соответствующему комбинации свободного и вынужденного вихря (т.е. в течение по закону Рэнкина) с максимумом скорости на радиусе  ~ 0,6. Соответствующие профили осевой скорости показывают, как поток, поступающий в трубу, проходит в тонкую пристеночную зону, начинающуюся от значения r/r0 ≈ 0,7, к горячему выхлопу. Некоторая часть потока проходит радиально внутрь, меняет направление и образует холодный выходящий поток. Очевидно, что точка перегиба профиля скорости находится на том же радиусе. Уровень осевых скоростей, особенно в центральной области, явно зависит от отношения тс/тполн (в данном случае равного 0,23). Явно видно, что в целом в потоке преобладают очень большие значения окружной скорости
Уравнение радиального равновесия можно записать в виде
(5.15)


Рис. 5.47. Профили окружной и осевой скоростей а трубе Ранка — Хилша [252] (расположение поперечных сечений показано на рис. 5.46):
а — распределение окружной скорости в шести поперечных сечениях; б—распределение осевой скорости в шести поперечных сечениях.

Когда данная модель вихря вводится в уравнение для переноса энергии, то оказывается, что конвективный член исчезает и уравнение сводится к условию равновесия между теплопроводностью и вязкой диссипацией:
(5.16)
Здесь k и μ — соответственно теплопроводность и динамическая вязкость. 

Из выполненного анализа можно заключить, что основной вклад в энергетическое разделение вносит турбулентная тепло передача, а процесс энергетического разделения вызывается главным образом адиабатическим сжатием и расширением турбулентных вихрей в поле течения с центробежными силами при наличии неадиабатического распределения температуры и радиального изменения осевой скорости. Авторы работы [69] поддерживают этот вывод, указывая на существование прецессирующего вихревого ядра при значении r/r0 ≈ 0,5.



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