Данная книга представляет собой многоплановое, широко иллюстрированное конкретными примерами введение в теорию и практику закрученных течений, включающее такие вопросы, как возникновение подобных течений в атмосфере и в технических устройствах с горением и без него. Книга ориентирована на специалистов-практиков. Рассмотренные в ней теоретические и экспериментальные методы будут полезны инженерам и конструкторам, сталкивающимся со сложными проблемами закрученных течений, а реальные возможности методов — для понимания и успешного решения этих проблем.
Закрученные течения широко распространены. Они наблюдаются во многих явлениях природы и часто используются в технике. В качестве примера (для случая отсутствия горения) можно указать на циклоны и торнадо в атмосфере, на водовороты в реках и водоемах, на вихревой след, оставляемый крылом самолета, на сепараторы и теплообменные аппараты циклонного типа, на дождевальные и разбрызгивающие удобрения сельскохозяйственные машины, на струйные насосы и химические реакторы с вихревым течением. Даже при анализе полета бумеранга и пчелы используются элементы теории закрученных течений. В технических устройствах с горением интенсивно используется существенное и благоприятное воздействие, оказываемое закруткой подводимых потоков воздуха и топлива на стабилизацию и интенсификацию процесса горения, для обеспечения эффективного и экологически чистого сжигания топлива в самых различных практических областях: в бензиновых и дизельных двигателях, в газовых турбинах и газотурбинных двигателях, в промышленных топках, котлах, а также в ряде других нагревательных систем. Как показывают экспериментальные исследования, закрутка радикальным образом влияет на поле течения — такие важные его свойства и характеристики, как распространение и затухание струй и эжекция вещества струей в инертных потоках, размеры и форма пламени и интенсивность горения в реагирующих потоках, существенно зависят от степени закрутки, сообщенной потоку.
Эксперименты являются большим подспорьем для конструкторов, однако их постановка обходится довольно дорого, и предварительный расчет поля течения с помощью математических моделей и численных методов в значительной мере способствовал бы удешевлению разработок н снижению эксплуатационных расходов Комбинируя экспериментальные и теоретические данные по аэродинамике горения с детализированными численными газодинамическими расчетами, применяя и совершенствуя соответствующие программы, можно значительно уменьшить продолжительность и стоимость разработок.
Важность всех этих вопросов и большой объем накопленных сведений побудили издательство Abacus Press включить данную книгу в новую серию публикаций Energy and Engineering Science. В ней рассматриваются различные аспекты закрученных течений и их использования, и в первую очередь характеристики поля течения. Ссылки в основном относятся к работам последних двух десятилетии. Наиболее современные данные можно получить из периодических изданий, трудов конференций и отчетов об исследованиях, проводимых университетами и научно-исследовательскими организациями. Во введении к гл. 1 излагаются фундаментальные концепции и описывается целый ряд практических приложений. В нее включены также основы моделирования и расчетов закрученных течений. Вопросы моделирования и идеологии эксперимента трактуются достаточно кратко, в той мере, насколько это необходимо для последующих глав. Подробности можно будет найти в другой книге упомянутой выше серии — «Диагностика и моделирование поля течения»*), к которой и отсылаются интересующиеся этим читатели.
Далее обсуждаются стабилизация пламени посредством закрутки потока смеси, конструкция и регулирование горелок, камер сгорания и топок. Гл. 2 содержит обзор исследований и прикладные вопросы горения, стабилизированного закруткой. В гл. 3 и 4 рассматриваются слабая и сильная закрутка потоков и дается обширный обзор литературы. По мере увеличения степени закрутки изменяются уровень турбулентности и структура течения в струях и пламенах. Явления вихреобразования в потоке и завихрений в пламени обсуждаются с позиций устойчивости и распада вихрей, образования циркуляционных зон и прецессии вихревого ядра. Рассмотрена также конструкция промышленных горелок и камер сгорания с закруткой потока. Приводятся примеры использования методов расчета течений со слабой и сильной закруткой, включая метод сквозного счета для уравнений типа уравнений пограничного слоя (при слабой закрутке) и метод последовательных приближений для расчета течений с циркуляционной зоной (при сильной закрутке). Важным практическим приложением является использование сильно закрученных течений в сепараторах и камерах сгорания циклонного типа — центральная тема гл. 5. Такие течения реализуются в циклонных очистителях воздуха (или газа) от пыли, в газовых ядерных ракетных двигателях, в трубах Ранка — Хилша, в циклонных камерах сгорания, в топках с тангенциальным подводом топлива и при сжигании мусора и других отходов. Здесь же рассмотрены имеющиеся расчетные исследования в данной области. Разнообразные приложения закрученных течений к практическим устройствам с горением обсуждаются в гл. 6 с точки зрения воздействия закрутки на шум и образование загрязняющих веществ. Анализируются проблемы конструирования перспективных промышленных топок и камер сгорания газотурбинных двигателей, связанные с необходимостью удовлетворить требованиям экономического и экологического характера. С той же точки зрения анализируются нынешнее состояние и перспективы развития двигателей внутреннего сгорания и возможностей расчета их характеристик. Приводятся наиболее современные данные о характеристиках целого ряда практических устройств, полученные как с помощью измерений в экспериментах, так и на основе расчетов, а также рекомендации относительно ведущихся разработок и будущих тенденций.
Данная книга посвящена исключительно закрученным течениям, их практическому использованию, прошлым и настоящим исследованиям, а также направлениям планируемых разработок Что касается особых требований, связанных с новизной и полезностью, которым должна удовлетворять эта книга, то ее авторам, как и авторам любой узкоспециальной публикации, было необходимо отобрать, обобщить и выстроить материал так, чтобы он наилучшим образом подходил для иллюстрации основных принципов и методов в рассматриваемой области знания. В настоящей книге конспективно представлены труды нескольких известных специалистов. В то же время ее отличительной особенностью является то, что из практических соображений упор делается на изложение концепций, применение которых может встретить трудности вследствие их малой известности или сложности.
*) Gupta А К., Lilley D G.. Flowfield modeling and diagnostics. Abacus Press (In preparation).
Выдвинутые в последнее время перспективные методы диагностики в экспериментальных исследованиях комбинируются в ходе обсуждения с новыми методами моделирования явлений и численного решения систем уравнений в попытке сбалансировать математический, физический и практический аспекты и создать книгу, которая привлечет читателей, желающих использовать для решения практических задач наиболее современные представления и методы.
Книга была задумана как руководство для инженеров-исследователей , работающих в промышленности и научно-исследовательских организациях и специализирующихся в области гидродинамики, горения, контроля загрязнения окружающей среды, методов диагностики и измерений, моделирования течения, а также как учебник для студентов старших курсов, предполагая, что в этом случае нужны общие представления о гидродинамике, горении, аэродинамике н соответствующем математическом аппарате. Предполагалось сформировать надежный фундамент для тех, кто намерен сам вести экспериментальные и теоретические исследования закрученных течений, и в то же время создать адекватное и исчерпывающее, хотя и краткое, руководство для тех, кто занимается использованием закрутки потока в конкретных задачах.
Авторы хотели бы выразить свою признательность всем тем, кто сотрудничал с ними в исследованиях последних лет, и тем, кто помогал в подготовке данной книги. Авторы особенно благодарны коллегам из различных стран, предоставившим свои работы и другую информацию по данному вопросу. Особую благодарность хотелось бы выразить Элис Биладо, Бекки Фаррел, Жанет Торранс, Джилл Филипс и Дайан Прайс за их терпение и помощь при подготовке рукописи книги. Наконец, авторы очень признательны издателям за плодотворное сотрудничество и постоянную заботу в процессе подготовки книги.
А. К. Гупта, Д. Дж. Лилли, Н. Сайред
