- ПЛАМЕНА В ЗАКРУЧЕННЫХ ПОТОКАХ
Явления, происходящие в закрученном потоке
Закрутка потока широко используется в камерах сгорания и промышленных топках как средство управления размером пламени, его формой, стабилизацией и интенсивностью горения. Эти эффекты описаны в экспериментальных исследованиях [38—52]; имеются также хорошие обзоры соответствующих работ [8—12]. В Университете Глазго выполнены обширные исследования в данной области для различных условий: изотермические струи [18, 38], струи в ограниченном пространстве [22, 39], а также струи горящей однородной смеси, как свободные [46], так и ограниченные [22]. Подобные работы по пламенам в топках с закрученным течением для различных топлив и конструкций завихрителей и форсунок выполняются в Международном исследовательском центре в Нидерландах (например, типичные исследования [50, 52]); многие из работ обсуждаются в гл. 4 и 6. Давно ведутся работы по закрученным струям и пламенам в Университете Шеффилда.
Пламена в слабозакрученных потоках вследствие их неустойчивости имеют ограниченный практический интерес, но они обеспечивают полезную базу для обоснования принципов моделирования. В определенных условиях слабая закрутка способствует удлинению пламени, что может оказаться полезным для практических целей, например вихри, образующиеся при пожаре, пламена в котлах с тангенциальной подачей воздуха и т. п. Как указывалось в конце разд. 3.1, отсутствие рециркуляции потока на оси позволяет преобразовать определяющие эллиптические уравнения в уравнения параболического типа, численное решение которых упрощается при применении метода прогонки.
В противоположность ламинарному пламени длина диффузионного пламени в незакрученном полностью развитом турбулентном потоке не изменяется при увеличении скорости в горелке и при истечении в неограниченное пространство зависит главным образом от типа используемого топлива и диаметра отверстия. Если пламя находится в закрытой топке, его длина увеличивается примерно на 25 % вследствие недостатка эжектируемого окислителя и рециркуляции, но существенное увеличение длины зависит от концентрации кислорода в рециркулирующих газах и степени стеснения D/d, где D и d — соответственно диаметры полости топки и сопла. Пламена в потоке частично перемешанной смеси короче, а интенсивность горения выше и зависит от степени перемешанности.
Явления, которые наблюдались и фиксировались в нереагирующих закрученных потоках, обнаружены и зарегистрированы и в случае пламен в закрученных потоках. Рециркуляционная зона также играет важную роль в процессе стабилизации пламени, являясь источником тепла, исходящего от рециркулирующих продуктов сгорания, и областью пониженной скорости, в которой скорость потока может компенсироваться скоростью распространения пламени. Длина пламени и расстояние от горелки, на котором стабилизируется пламя, уменьшаются. Прямое сравнение турбулентного поля течения в нереагирующей среде и в присутствии пламени показывает, что изменение энергии теплового движения молекул и атомов в пламени вносит относительно небольшие изменения в структуру течения закрученной струи с зоной рециркуляции. При наличии горения протяженность зоны обратных токов и расход обратного потока несколько уменьшаются [45].
Измерения, выполняемые в промышленных топках, обычно показывают, что при наличии закрутки радиальный профиль осевой скорости на коротком расстоянии от сопла имеет смещенные от оси максимумы (что указывает на наличие обратного течения вблизи сопла).
Рис. 3.9. Влияние параметра закрутки на положение фронта пламени (линии максимальной температуры) в свободной закрученной струе без зоны циркуляции [6].
Положение высокотемпературной зоны существенно изменяется в случае закрученной струи. Это обусловлено улучшенным перемешиванием и увеличенными скоростями реакции в пламени закрученного потока. Влияние увеличения параметра закрутки на положение фронта пламени (линии максимальной температуры) в свободном факеле без рециркуляции показано на рис. 3.9, где R=d/2—радиус сопла [6] Подробные сведения о влиянии состава смеси, типа устройства для подачи топлива и т. п. можно найти в работах [10,41,43].
Область обратного потока в зоне рециркуляции обладает многими свойствами гомогенного реактора, так что температура и состав газа в обратном потоке распределены равномерно. Эта зона хорошего перемешивания ограничена в силу гидродинамических свойств течения и окружена нереагирующим воздухом с исходной температурой, не участвующим в реакции. На уровень температуры и состав газа влияют количество и свойства топлива, подаваемого в эту зону, а аэродинамическое воздействие достигается изменением степени закрутки. Таким образом, имеются средства управления скоростями образования и реагирования углерода и оксидов азота; следовательно, для конкретного факела можно найти оптимальные условия, обеспечивающие минимальный выход углеродов и оксидов азота. Эти вопросы обсуждаются в других главах; предметом же данной главы являются слабозакрученные потоки, не имеющие зон рециркуляции.
Рис. 3.10. Поле температуры в факеле для значения S = 0,116 (d = 5 см) [41]
I—горелка; II — холодное ядро высокой скорости; III — фронт пламени; IV — зона свечения; V — основная зона реакции; VI — холодный окружающий воздух.
Гидродинамические характеристики течения.
Ниже обсуждаются типичные экспериментальные данные по пламенам в слабозакрученных свободных струях. Пламена в богатых топливом смесях (массовая доля сжиженного нефтяного газа в его смеси с воздухом составляла 0,245) формировались за закручивающим аппаратом, имеющим тангенциальные щели. После зажигания пилотной горелкой пламя стабилизировалось на расстоянии около четырех диаметров от устья горелки в том месте, где вследствие эжекции скорости градиенты скорости снижались в достаточной мере, для того чтобы фронт пламени мог стабилизироваться на границах струи. Типы исследованных пламен наилучшим образом могут быть описаны с помощью изотерм, как это сделано в случае пламени при 5 = 0,116 (рис. 3.10). Почти на всей длине пламени существует относительно холодное ядро с высокой скоростью движения, а основная зона реакции заключена в области между холодным центральным ядром и окружающим воздухом. Максимальная температура по длине пламени существенно не меняется, поскольку в каждом сечении по длине точка максимальной температуры находится в зоне реакции, а не на оси струи. Температура в центральном ядре вниз по потоку повышается вследствие перемешивания с горячими продуктами горения, и в этих условиях подобие наблюдается только ниже по потоку, где точки максимальной температуры сходятся на оси струн. Во внешней же части потока формы профилей температуры подобны.
К экспериментальным данным, описывающим изменение максимального значения осевой скорости ит, окружной скорости ωт и перепада температуры Тт — Т∞, были подобраны кривые, уравнения для которых включают коэффициенты А, В и С, характеризующие распространение струи:
(3.3)
Рис. 3.11. Изменение вдоль оси максимальных значений параметров потока: а — осевая составляющая скорости; б — вращательная составляющая скорости; в — относительная разность температур (41); сплошные кривые соответствуют формулам (3.4)
Здесь последние два соотношения справедливы для основного участка струи, а для той области, где располагается пламя, уравнения имеют более сложный вид [41]. Следует заметить, что падение скорости происходит медленнее, чем в холодных закрученных струях, а коэффициенты А и В значительно больше, чем для холодных струй. В основном данный эффект обусловлен изменениями температуры и плотности, а следствием такого расширения газа является увеличение осевой и радиальной скоростей, что дает уменьшенный темп снижения ит и струю большей толщины. Следующие два выражения описывают гауссовы профили и и Т (во внешней по радиусу области) с параметрами Ки и Кт:
(3.4)
Реальные профили окружной скорости недостаточно гладкие для хорошей их аппроксимации; ниже на рис. 3.13 показан вид этих профилей.
Рис. 3.12. Радиальное распределение осевой составляющей скорости [41]. Кривые соответствуют формуле (3.4).
Таблица 3.2 Параметры в аппроксимационных соотношениях (3.3) и (3.4)
Характер профилей не соответствует кубической зависимости скорости от ξ для холодной струи. В этих соотношениях ξ = r/(x +a), a —расстояние от среза сопла до кажущегося источника струи.
Рис. 3.13. Радиальное распределение окружной скорости [41].
Рис. 3.14. Радиальное распределение температуры [41]. Кривые соответствуют формуле (3.4).
Все параметры приведены в табл. 3.2; как и в разд. 3.1. необходимо внимательно относиться к использованию этих данных для соответствующих областей потока. Полуугол расширения струи определяется уравнением
Значения параметров этого соотношения и экспериментальные значения длины пламени также приведены в табл. 3.2. На рис. 3.11 для иллюстрации показаны изменения максимальных значений параметров вдоль потока, а на рис. 3.12—3.14 воспроизведены профили параметров в поперечных сечениях.
Взаимодействие нескольких закрученных струй и факелов
Во многих случаях течений в технических устройствах происходит взаимодействие струй и факелов, расположенных вблизи друг от друга при параллельной подаче с одной стороны устройства. Это дополнительное осложнение встречается, например, при организации процесса в различных топках и котлах. Взаимодействие струй и факелов обычно усиливается при наличии закрутки. На рис. 3.15 показана схема результирующего течения для двух турбулентных струй встречного вращения, для каждой из которых параметр S = 0,3. Струи вращаются «в зацеплении», и в области их взаимодействия уменьшаются радиальные градиенты осевой и вращательной скоростей. В работе [53] выполнены детальные измерения средних скоростей и интенсивности турбулентных пульсаций в осевом направлении. Усредненная окружная скорость быстро уменьшается в осевом направлении, и на расстоянии около 35d характеристики потока становятся такими же, как и в случае одиночной свободной незакрученной струи.
Работа [54] посвящена струям и факелам с одинаковым направлением вращения (с вращением «вне зацепления», что усиливает взаимодействие струй), в которых параметр закрутки изменяется в пределах от 0 до 0,6. Заметим, что такая закрутка способствует вырождению вращения средней из трех струй, расположенных в ряд, что создает более равномерный профиль осевой скорости в поперечном сечении по сравнению с одиночной струей. Даже на расстоянии 4d струи начинают вести себя так, будто они слились в единую большую струю, закрученную в том же направлении, что и три исходные струи. В экспериментах использовалась также визуализация на водяной модели. В результате исследования взаимодействия закрученных факелов получены следующие данные.
Рис. 3.15. Схема течения для пары встречно закрученных струй [53].
В случае близко расположенных незакрученных факелов происходят их слияние и перескоки пламени; при этом плохое перемешивание вызывает преждевременное погасание центральных факелов и появление длинных факелов, а также обусловливает относительно низкую интенсивность горения. Закрутка совокупности факелов способствует стабилизации каждого отдельного факела в системе (посредством выявленных ранее эффектов стабилизации пламени) и помогает избежать неустойчивости нейтральных струй, что в целом дает более стабильную систему факелов. Перемешивание в зоне слияния струн в случае закрученных факелов происходит настолько интенсивно, что подавление турбулентности, обнаруженное в пламенах незакрученных струй, наблюдается в меньшей степени и образующиеся факелы обладают гораздо лучшей самостабилизацией. Этот эффект усиливается в случае закрутки в одном направлении и снижается при встречном направлении вращения («в зацеплении»). Отсюда очевидно, что целесообразно организовать вращение всех струй в одном направлении, так чтобы они вращались «вне зацепления»; это обусловливает более высокие скорости перемешивания, более высокую интенсивность турбулентности, более короткие и интенсивные факелы и более равномерное их распределение.
Наблюдение за аэродинамикой течения показывает, что при закрутке «в зацеплении» имеет место менее равномерное распределение параметров. Иногда это может не обнаруживаться при наблюдениях за пламенем из-за более высокой вязкости газа, которая стремится снизить неоднородность. Близкое расположение струй в горизонтальной плоскости усиливает расширение центральных струй в вертикальной плоскости. При использовании ряда закрученных струй на расстоянии свыше ~8d поток в поперечном направлении полностью перемешан и не имеет явного упорядоченного движения.
В дальнейшем в Шеффилде были выполнены эксперименты по определению стабильности, перемешивания и взаимодействия многострунных закрученных факелов природного газа [55, 56]. Влияние числа горелок и расстояния между ними на длину фа- кета для различных значений 5 показано на рис, 3.16. Очевидно, что длина пламени увеличивается с увеличением числа горелок, при их сближении и снижении интенсивности закрутки. Сближение факелов уменьшает площадь поверхности, находящейся в непосредственном контакте с атмосферой, что препятствует эжекции воздуха. Обнаружено также, что влияние числа горелок проявляется еще сильнее в богатых топливом пламенах, так как в этом случае даже небольшое изменение в количестве эжектируемого воздуха сильно влияет на процесс горения. Пределы срыва пламени в многогорелочной системе смещены в область богатых смесей. В условиях, приближающихся к моменту полного срыва пламени, центральный факел может подняться или даже оторваться от горелки, в то время как окружающие факелы остаются вблизи устьев своих горелок.
Рис. 3.16. Влияние шага расположения горелок α и их количества на длину факела L ,[56]
