Закрутка потоков создается тремя основными методами:
- использованием тангенциального подвода (генератор закрутки с осевым и тангенциальным подводом);
- применением направляющих лопаток (закручивающее устройство);
- непосредственным вращением (вращающаяся труба).
На рис. 1.4 показано закручивающее устройство (с осевым и
тангенциальным подводом), широко используемое для создания однородных устойчивых струй для подробных экспериментальных исследований [16]. Количество подаваемого воздуха может регулироваться и измеряться отдельно, так что простым изменением расходов воздушных потоков можно изменять степень закрутки от нулевой до очень высокой, приводящей к образованию сильно закрученных струй с обратными токами.
Для таких систем требуется относительно высокий уровень полного давления, и в промышленных горелках часто используются системы с направляющими лопатками, в которых лопатки расположены таким образом, что они изменяют направление потока. При радиальном подводе воздуха к закручивающему устройству радиальные и тангенциальные углы лопаток могут быть изменены на месте при реализации закручивающего устройства с адаптивным блоком, что в конечном итоге аналогично использованию тангенциального подвода. Система с адаптивным блоком эффективна в том случае, когда необходимо создать определенный уровень закрутки при относительно низком перепаде давления, поскольку при этом можно получить высокую интенсивность закрутки. В случае осевого течения в трубе закручивающее устройство или закручивающий лопаточный аппарат состоит из фиксированных лопаток с углом установки φ относительно направления основного потока. Эти лопатки отклоняют поток и придают ему вращательное движение [18). Такой метод используется в топках и газотурбинных камерах сгорания. Обычно лопатки устанавливаются на центральной втулке и располагаются в кольцевой области вокруг нее. С целью улучшения условий на выходе делались попытки использовать закручивающие устройства без втулок, однако срыв потока на лопатках [19] обусловливает сложную картину течения и приводит к нарушению осевой симметрии. Закрутка может быть также создана непосредственным вращением потока. Так, в одном из экспериментов [20| использовался цилиндр, вращающийся с частотой 9500 об/мии и создающий закрутку силами трения на стенке цилиндра, действующими на проходящий через него поток. Вследствие относительно низкой вязкости воздуха таким методом можно создать лишь небольшую закрутку. Силы трения могут быть значительно увеличены установкой во вращающую трубу перфорированных пластин [21], пучков труб или пористых дисков. На выходе из таких систем получаются профили скорости, соответствующие закрутке газа как целого, аналогично случаю увлечения частиц жидкости диском, вращающимся с постоянной угловой скоростью Ω. В вязкой жидкости вращающиеся течения (т. е. вихри) всегда содержат центральное ядро с вращением жидкости как целого (или вынужденный вихрь). Вне нейтральной области могут преобладать условия свободного (или потенциального) вихря, что наблюдается при образовании в атмосфере смерчей, пылевых бурь, торнадо, ураганов и циклонов [22]. Огневые смерчи, возникающие при лесных и городских пожарах, могут быть смоделированы в лабораторных условиях вращением большого цилиндрического экрана из проволочной сетки над разлитым жидким горючим ]23] или над газовым факелом [3], когда пламя располагается по центральной вертикальной оси цилиндра.
Все три типа вихрей в реальных жидкостях имеют центральное вихревое ядро с ненулевой завихренностью. Окружная скорость равна нулю на оси симметрии. Свободные и вынужденные вихри можно различить по радиальному положению максимума окружной скорости; т е. в свободном вихре максимум расположен вблизи оси симметрии, в то время как в вынужденном вихре максимум находится на внешней границе вихря. Все величины для составного вихря Рэнкина (или свободно-вынужденного вихря) определяются выражениями для вынужденного вихря при малых r и выражениями для свободного вихря при больших r.
Таблица 1.1. Общие характеристики вихрей
При выборе закручивающего устройства решающим фактором является его эффективность, поскольку лишь часть падения давления на горелке переходит в кинетическую энергию получающегося закрученного струйного течения, остальная часть механической энергии теряется. Можно ввести параметр V, называемый коэффициентом потока кинетической энергии кольцевого закрученного течения.
Рис. 1.5. Коэффициент потока кинетической энергии v в кольцевом закрученном течении [3] а случае уравнения вихря w = const rп.
Его значение зависит от типа созданного вихря, внешнего и внутреннего диаметров трубы и от распределений окружной и осевой скоростей, которые могут не соответствовать вращению газа как целого. Значения v для различных типов вихрей с ω = Сr приведены на рис. 1.5. Можно видеть, что для любого заданного значения параметра закрутки вихрь при движении газа как целого (n=1) представляет собой случай минимума кинетической энергии, а свободный вихрь (п = —1) дает максимум кинетической энергии. Вихрь с постоянной окружной скоростью (n = 0) представляет собой промежуточный случай между вихрем с распределением скорости, соответствующим движению газа как целого, и свободным вихрем, и в случае, когда момент количества движения в значительной степени сконцентрирован во внешней части потока (n = 3), получаются значения v, лишь незначительно превышающие значения, соответствующие движению газа как целого.
Рис. 1.6. Эффективность закрутки ε в зависимости от параметра закрутки S дли различных закручивающих устройств
[31:
1 — закручивающее устройство с адаптивным блоком (R = 80 мм); 2 — закручивающее устройство с осевым и тангенциальным подводом; 3 — закручивающее устройство с направляющими лопатками (R= 62 мм).
Эффективность закрутки е при заданной интенсивности закрутки представляет собой отношение кинетической энергии закрученного потока, протекающего через горло горелки, к падению статического давления между входным сечением и горлом [3]. На рис. 1.6 представлены экспериментальные значения ε для различных значений параметра закрутки S и различных типов закручивающих устройств.
1. Закручивающее устройство с осевой и тангенциальной подачей наиболее эффективно при малых интенсивностях закрутки, но малоэффективно при больших интенсивностях закрутки. Например, при S=1 его эффективность
ε=40%. Столь низкая эффективность связана главным образом с большой площадью внутренней поверхности внутренней трубы горелки, особенно вверх по потоку от отверстия тангенциальной подачи.
2. Закручивающее устройство с адаптивным блоком имеет относительно низкую эффективность при низкой и средней интенсивности закрутки (ε = 58 % при S = 0,4), но его эффективность остается неизменной и может даже повышаться при более высокой интенсивности закрутки.
- Закручивающий аппарат с радиальной подачей потока имеет относительно высокую эффективность (ε = 75 % при S=1)
- Закручивающий аппарат с осевой подачей имеет относительно низкую эффективность (ε = 30 % при S = 1), ( 19)
Эффективность закрутки ε представляет собой меру создания конкретной интенсивности закрутки S; это вовсе не мера эффективности создания определенного типа ноля течения; это означает, что при одинаковой интенсивности закрутки различными типами закручивающих устройств (с различными профилями скорости на выходе) создаются разные поля течения вниз по потоку. Этот вопрос будет обсужден далее в разд. 1.3 и в гл. 4 По этой причине мы обычно используем параметр закрутки, когда говорим о потоке, создаваемом закручивающим устройством с осевой и тангенциальной подачей, и используем угол установки лопаток φ, когда рассматриваем потоки, закручиваемые лопаточным закручивающим аппаратом с осевой подачей. Эти два устройства наиболее часто встречаются на практике, и даже при одинаковой интенсивности закрутки они создают неэквивалентные поля течения вниз по потоку.
