Закрученные потоки - Закрученные течения в технике

При конструировании технических устройств специалист по горению должен находить оптимальное решение, сопоставляя, например, эффективность процесса и загрязнение окружающей среды. Главная цель большинства исследований состоит в получении информации, используемой конструкторами для описания или моделирования определенных черт рассматриваемого явления. Исследования могут быть теоретическими или экспериментальными; эти два подхода дополняют друг друга До настоящего времени конструкторы полагались в значительной степени на экспериментальный подход, хотя сейчас получает признание математическое моделирование, дополняющее существующие методы конструирования, и численное моделирование процессов горения стало общепринятым. Традиционно рассматриваются процессы в бензиновых двигателях, дизельных двигателях, топках и камерах сгорания газотурбинных двигателей [12].
Бензиновые и дизельные двигатели — это поршневые двигатели с нестационарными процессами и чередующимся горением и сжатием. Требования повышения КПД бензиновых двигателей приводят к повышению степени сжатия и как следствие этого к возникновению процесса «детонации» — неуправляемого воспламенения газовой смеси в цилиндре, приводящего к перегреву, повышенному шуму и повреждению двигателя. Для устранения этого нежелательного процесса вводятся изменения конструкции двигателя и используются добавки к топливу на основе свинца, но в настоящее время для уменьшения загрязнения окружающей среды предпочтение отдается топливу без свинцовых добавок.
Степень сжатия в дизельных двигателях должна быть высокой, чтобы обеспечивать самовоспламенение топлива, поскольку в этих двигателях отсутствует искровое зажигание и уровень горения контролируется расходом впрыскиваемого в виде мелких капель топлива. Стремление достичь максимальной мощности двигателя за счет использования всего имеющегося воздуха приводит к повышенному дымлению — нежелательному загрязнению Стремление к получению эффективного чистого сгорания стимулировало недавние усовершенствования роторных двигателей (двигателей Ванкеля) и двигателей со стратифицированным зарядом.
В двух следующих примерах рассматривается квазистационарное непрерывное сгорание. При конструировании топок приходится изучать множество практических конфигураций, и типичные проблемы и требования противоположны тем, которые встречаются при конструировании двигателей. Например, для создания больших радиационных тепловых потоков необходимо наличие частиц, но желательно, чтобы весь дым поглощался до того, как газы покинут топку. Интенсивность теплопереноса должна быть высока, и потоки должны быть распределены таким образом, чтобы распределение температуры на выходе отвечало заданным требованиям. И в то же время необходимо избежать перегрева газа и материала в пристеночных областях. Последний пример — газотурбинные двигатели, которые кроме всего прочего также создают дым, а промышленное и транспортное применение этих двигателей делает проблему образования загрязняющих веществ еще более острой, чем в случае их применения в авиации. Камера сгорания газотурбинных двигателей выполняет важную задачу — обеспечивает высокоэффективное сгорание, и конструкторы прилагают усилия к уменьшению ее длины без ухудшения устойчивости горения и к сокращению падения давления на ней без ухудшения интенсивности смешения газов, далее проходящих через турбину. Для оптимизации исходной конструкции используются экспериментальные методы «проб и ошибок».
Несмотря на отсутствие полного понимания того, почему наличие закрутки так сильно интенсифицирует некоторые процессы, в технических устройствах широко используются криволинейные линии тока, закрутка и вихреобразование. Исследование таких течений помогает при конструировании и доводке систем сгорания, особенно в случае широкого использования закрутки. В настоящее время и теория, и эксперимент помогают специалистам по системам сгорания обеспечить эффективное и чистое сгорание [102—115]. В следующих трех разделах рассмотрены процессы в технических устройствах, интенсифицированные с помощью закрутки. В последующих главах их обсуждение будет продолжено. Оптимизация в процессе конструирования и доводки представляет собой сложную задачу гидродинамики и (или) аэротермохимии независимо от того, является ли основной подход экспериментальным или теоретическим. Исследовательские задачи дополняют прикладную работу конструкторов технических устройств. Они прокладывают путь, который ведет к решению задач конструирования за более короткий срок и с меньшими затратами, чем в настоящее время.