Центробежные эффекты
Благоприятное воздействие центробежных сил на процесс горения было выявлено в работах [57—62]. Эксперименты, выполненные с вращающейся камерой, показали, что возникающая усиленная «плавучесть» может существенно увеличить скорость распространения пламени по сравнению со скоростью турбулентного распространения пламени, которая в обычных устройствах определяет скорость горения. Когда ранее делались попытки увеличить скорость распространения турбулентного пламени, необходимые для этого потери давления оказывались неприемлемо высокими; иногда возникала также проблема стабилизации пламени при повышенных скоростях.
Рис. 3.17. Сравнение экспериментальных и теоретических результатов для значений эквивалентного отношения в форсажной камере от 0,95 до 1,05. Значки— экспериментальные данные, линии — расчеты по модели, в которой диаметр пузырька равен высоте пилотной горелки.
Опыты показывают, что использование центробежных сил может увеличить скорость распространения пламени в четыре раза и более [59].
Разработаны две модели расчета скорости распространения пламени [59] в различных условиях работы горелок («пузырьковая» теория распространения пламени) и пределов срыва пламени при очень высоких величинах центробежных сил на основе классических уравнений теплопередачи. Измерения позволили определить также влияние числа Рейнольдса на скорость распространения турбулентного пламени и на лимитирующие размеры пузырьков в поле силы тяжести. Правильность модели подтверждена испытаниями уменьшенной вихревой форсажной камеры сгорания диаметром 0,38 м [60], в которой для закрутки потока и создания поля центробежных сил, предназначенного для увеличения скорости горения горючей смеси, использовался входной лопаточный завихрители. Топливо впрыскивалось в закрученный поток через кольцевые коллекторы, а пузыри пламени быстро перемещались к центру под действием архимедовых сил (приложенных к горячим сгоревшим газам, которые находятся в холодных несгоревших газах), поджигая при перемещении топливно-воздушную смесь. Поскольку скорость пузырька может быть во много раз больше скорости распространения турбулентного пламени в обычной форсажной камере, были получены меньшие длины и достигнута более высокая полнота сгорания (рис. 3.17).
Дополнительное преимущество вихревой форсажной камеры сгорания заключается в отсутствии влияния изменений давления и числа Маха; потери давления оказались ниже, чем в обычной камере сгорания. Эти работы привели к созданию полноразмерной вихревой форсажной камеры сгорания для перспективного турбовентиляторного двигателя военного назначения, которая должна была улучшить экономичность и повысить стабильность работы двигателя [59]. На основе этих работ в Исследовательском центре им. Льюиса (NASA) была разработана кольцевая вихревая камера сгорания В ней предусматривалась радиальная ступенчатая подача топлива. Наружный ряд вихревых модулей использовался исключительно на режиме малого газа. На других режимах топливо могло также подаваться выше по потоку. Для изучения аэродинамики уже изготовлена полноразмерная пластмассовая модель, а в опытах углы установки лопаток кольцевого завихрители составляют от 25° до 45°. Дальнейшие работы ведутся не только в NASA, но также в университетах и научно-исследовательских институтах.
Вихревые эффекты.
Закрученные потоки исследовались в Корнеллском университете [63, 64], причем особое внимание было уделено явлению возникновения рециркуляционного вихря (образования свободной застойной точки и рециркуляционной зоны) в вихревом ядре потока со значительной завихренностью вдоль линий тока’). В камере газотурбинного двигателя и других подобных устройствах исследована стабилизация пламени с помощью создания рециркуляционного вихря; использовались ограниченные концентричные сдвоенные струи, причем смесь топлива (метан) и воздуха подается во внутреннюю струю, а воздух — в наружную струю. Закрутка может сообщаться как наружной, так и внутренней струе со спутным или встречным направлением вращения. Цель данных экспериментов состояла в более глубоком изучении влияния закрутки и циркуляционного вихря на горение, а также в оценке возможностей этой схемы как практического устройства.
Сдвоенные концентричные завихрители, применяемые в различных моделях вихревых камер в NASA (изучаемых для применения в авиационных реактивных двигателях, см. гл. 6), подобны устройствам, применяемым в настоящем исследовании. Первые исследования возникновения циркуляционных вихрей показали, что размер и положение зоны рециркуляции и поле характеристик турбулентности зависят от степени закрутки, относительного направления закрутки и от отношения скоростей в струях. Эти параметры потока могут быть использованы для связи характеристик течения с условиями испытаний.
1) Имеется в виду зона обратного течения на оси сильнозакрученной струи. — Прим. ред.
Особый интерес представляет использование очень бедной топливом внутренней струи для ограничения образования оксидов азота, (без ухудшения характеристик выбросов оксида углерода СО и несгоревших углеводородов) в сочетании с большой зоной рециркуляции и высоким уровнем турбулентности, служащих для компенсации ухудшения стабилизации пламени, вызванного обеднением смеси. В работе [63] изложен качественный анализ процесса горения, пределов срыва пламени, температуры выхлопных газов и выбросов оксидов азота NO, и оксида углерода СО камерой сгорания.
Позднее в работе [64] были приведены распределения концентрации, температуры и скорости для различных интенсивностей закрутки, составов смеси и отношений осевых скоростей внутренней и наружной струй. Приведены также данные по полноте сгорания, определяемой химическим и тепловым анализом. Установлено, что относительное направление закрутки и ее интенсивность сильно влияют на состав выхлопных газов, температуру на выходе и полноту сгорания. Струи со встречной закруткой создают большую зону рециркуляции, короткую светящуюся зону горения и большие сдвиги скорости и уровни турбулентности в пограничном слое на границе струй. При максимальной степени закрутки во встречном направлении и подаче бедной смеси наблюдаются низкие уровни выброса оксида азота NOx. Тем не менее это сопровождается низкой полнотой сгорания, на что указывают относительно высокие уровни концентрации оксида углерода СО и метана CH4, а также низкие температуры выхлопного газа. В основном эти характеристики определяются погасанием вследствие быстрого перемешивания в пограничном слое между струями; это положение подтверждено результатами, полученными при изменении степени закрутки наружной струи и отношения скоростей струй.
Часто высказывается предположение, что поток, выходящий из вихревых камер, является осесимметричным. Последние исследования [65—67] подтвердили это предположение только для малых параметров закрутки и чисел Рейнольдса Когда поток, имеющий определенную интенсивность закрутки (S > 0,6), достигает некоторого критического числа Рейнольдса появляется неустойчивость течения и происходит образование циркуляционного вихря Начальное проявление процесса обычно состоит в практически симметричном разбухании вихревого ядра, охватывающего зону рециркулирующего газа. В следе этого возмущения часто возникает другая, спиральная неустойчивость течения, при которой область центрального вынужденного вихря начинает прецессировать около оси симметрии. Образуется так называемое прецессирующее вихревое ядро (ПВЯ), располагающееся вблизи средней границы зоны обратных токов, которая в данном случае принимает заметно увеличенные размеры; это явление обусловливает появление очень высоких уровней турбулентности и перемешивания, которые были измерены в вихревых генераторах. Таким образом, здесь имеется трехмерное нестационарное турбулентное течение, которое очень сильно влияет на стабилизацию, скорость перемешивания, интенсивность горения и длину пламени. Диапазон устойчивого горения может быть сильно расширен в область бедных топливновоздушных смесей. Хотя ПВЯ оказывает полезное действие из перемешивание реагентов, оно может возбудить колебания горения и появление нежелательного шума и выброса загрязняющих веществ [68]. Когда ПВЯ выходит за пределы камеры, вследствие быстрой диссипации восстанавливается осесимметричное движение. Дальнейшие подробности можно найти в гл. 4.
Имеется, однако, неустойчивость другого вида, связанная с поведением прецессирующего вихревого ядра вблизи выходного сечения. В окрестности горла процессы вихреобразования и процессы перемешивания происходят главным образом в плоскости, параллельной оси и касательной линиям тока, но на выходе образуется большой вихрь в радиальной плоскости, проходящей через ось, непосредственно на пути вихревого ядра. Этот вихрь устойчив при низких числах Рейнольдса, но при увеличении числа Рейнольдса вихрь попеременно срывается с каждой стороны выхода. Это непрерывный процесс, в котором вихрь постоянно «сдирается» прецессирующим вихревым ядром. Этот вихрь называется радиально-осевым вихрем. Схематично структура течения в вихревом генераторе при наличии ПВЯ показана на рис. 4.27; другие подробные сведения о прецессии вихревого ядра содержатся в гл. 4.
Вихри при пожарах.
В общем случае закрутка потока в камерах сгорания, придаваемая обычно кольцевому потоку воздуха, окружающему выходное отверстие для подачи первичного топлива, приводит к увеличению скорости перемешивания (сильной турбулизации) и получению более короткого и стабильного интенсивного пламени. Однако в определенных условиях закрутка может оказывать отрицательное воздействие и приводить к снижению скорости перемешивания (ламинаризации) и получению длинного спокойного пламени. Примером тому является пламя турбулентной струи, горящей в центре закрученного потока, организованного путем вращения цилиндрического сетчатого экрана (рис. 3.18) [69, 70].
Рис. 3.18. Горелка с вращающимся экраном, используемая в Университете Шеффилда [69, 70].
При отсутствии вращения пламя устойчиво ограничивается вихревым ядром Центробежная стабилизация потока ухудшает перемешивание и эжекцию, приводя к значительному, почти пятикратному увеличению длины пламени. Подробное явление наблюдается в вихрях пожаров, пылевых смерчах, ураганах, штормах, водяных воронках и т. д.; описание этих геофизических явлений само по себе представляет большой интерес [71].
Огневые смерчи возникают в лесных и других крупных пожарах следующим образом [69—71]:
1. Большие пламена создают тепловые конвективные «колонны» восходящего горячего газа. В отсутствие вращательного движения этот восходящий поток питается втекающим в «колонну» горизонтальным потоком воздуха, который приводится в движение действием небольшого перепада давления между горячей «колонной» всплывающего газа и окружающим воздухом. Этот поток воздуха, а также турбулентная диффузия быстро размывают «колонну», ограничивая ее высоту и вертикальную скорость газа.
- Однако при наличии циркуляции окружающей среды в «колонну» вносится завихренность, создающая ПВЯ, которое препятствует турбулентной диффузии и втеканию потока воздуха через поверхность раздела ядра и окружающего воздуха. Таким образом, стационарное ядро может замкнуться в длинный узкий столб вращающегося горячего газа. Этот огневой смерч подпитывается радиальным потоком воздуха (а часто и топлива), втекающим в ядро из пограничного слоя у земли. Эта подпитка происходит под действием радиального градиента давления, накладываемого на пограничный слой наружным рециркулирующим потоком. Осевые или вертикальные скорости в ядре огневого смерча, как правило, значительно выше, чем в обычном вертикальном тепловом конвективном потоке, поскольку закрутка оrружающей среды создает у земли сильный радиальный поток массы, втекающий в ядро, и препятствует расширению и ослаблению ядра по высоте. В противоположность свойствам вихревого ядра, которые обсуждаются в гл. 4 и 5, здесь не происходит ни образования зоны обратных токов, ни возникновения циркуляционного вихря, расположенного в огневом смерче; это объясняется относительно слабой закруткой. Следует заметить, что даже в рассматриваемом случае относительно слабая закрутка может обусловить очень высокие скорости газа [77]. С практической точки зрения образование циркуляционного вихря или зоны обратных токов было бы полезным, так как они стремились бы разорвать и разрушить огневой смерч. В работе |70] показано, что существование сильного положительного радиального градиента скорости в сочетании с полем центробежных сил в огневом смерче препятствуют турбулентному перемешиванию и «ламинаризируют » турбулентное пламя, что сопровождается сильным увеличением его длины. Ламинаризация происходит из-за сильно ослабленного турбулентного перемешивания между ПВЯ, которое богато топливом, и окружающим воздухом.
Описываемый процесс иллюстрируется рис. 3.19, где приведена длина диффузионного факела метана, горящего в среде с переменной закруткой [69] (закрутка создавалась с помощью проволочного цилиндрического экрана, вращающегося с равномерной скоростью, что дает распределение окружной скорости по закону Рэнкина). Длина факела при нулевой скорости вращения совпадала с данными, опубликованными в литературе. В случае вращения длина факела выросла в 2 ... 2,25 раза, причем степень удлинения сильно зависела от числа Рейнольдса.
Рис. 3.19. Длина факела для диффузионного пламени метана, находящегося во вращающейся среде при d = 3,17 мм [69].
Из рис. 3.19 следует, что в больших системах, работающих при гораздо больших значениях Re, увеличение длины факела будет еще более сильным. В работе [73], где моделировался огневой смерч, измерены еще большие длины факелов, однако такие большие длины могут быть отчасти обусловлены наличием находящегося в основании устройства бассейна с жидким топливом, из которого значительное количество топлива испарялось и попадало в пограничный слой, подпитывая таким образом пламя.
Изотермическое моделирование явления огневого смерча выполнено также в работе [70] с использованием имитации изменения плотности, вызываемого горением. В отсутствие вращения интенсивность турбулентности и расширение струи гелия примерно вдвое превышали значения этих параметров для эквивалентной изотермической системы (рис. 3.20). При наложении закрутки на изотермическую систему происходило заметное снижение касательных напряжений в центральной области потока, где обычно образуется огневой смерч (рис. 3.21). Аналогично при введении струи гелия для имитации горения касательные напряжения очень сильно снижаются в центральной области потока (рис. 3.22); эти факты подтверждают гипотезу о том, что сочетание положительного градиента плотности и поля центробежных сил приводит к существенному ухудшению турбулентного перемешивания в центральной зоне потока.
Струя гелия ведет себя как всплывающая колонна, в которой сосредоточивается завихренность, образуя устойчивую границу между струей гелия и окружающей средой.
Модифицированное число Ричардсона Ri*, которое обсуждается в гл. 4 в связи с явлением образования вихря и определяется отношением произведения центробежной силы и радиального градиента плотности к силам сдвига, является удовлетворительным корреляционным параметром для расчета подавления турбулентного перемешивания в таких потоках [10, 70].
Более тщательные попытки скоррелировать и рассчитать явление огневого смерча сделаны в работах [72, 73] и позднее в работе [74].
Рис. 3.21. Влияние вращения среды на касательные напряжения в турбулентной струе воздуха при x/d = 20 [70]. Штриховые линии — касательные напряжения в струе воздуха, распространяющейся в невращающемся спутном потоке воздуха; сплошные линии — касательные напряжения в струе воздуха, распространяющейся во вращающемся спутном потоке воздуха.
Рис 3.22. Совместное влияние вращения и радиального градиента плотности на касательные напряжения в струе гелия, распространяющейся во вращающемся спутном потоке воздуха при x/d= 20 [70]. Штриховые линии — невращающийся спутный поток воздуха; сплошные линии — вращающийся спутный поток воздуха.
Такой анализ должен учитывать влияние завихренности окружающей среды, наличие источника интенсивно горящего топлива, дающего восходящую колонну горячего газа, которая затем взаимодействует с завихренной средой, а также то, что явление в целом сопровождается течением внутрь «колонны» пограничного слоя. Задача, включающая совместное действие наземного пограничного слоя и теплопередачи от поверхности топлива к вихревому ядру, рассмотрена в работах ]72] (где решались уравнения, описывающие свойства вихревого ядра) и (73) (где решались уравнения для определения средней радиальной скорости).
В работе [74] выведен ряд корреляционных параметров для описания огневых смерчей; эти параметры включают уровень циркуляции, вертикальную протяженность зоны рециркуляции, плотность топлива, линейную скорость горения топлива в отсутствие ветра и закрутки и размеры элементов, выделяющих энергию (в рассматриваемом случае это дрова).
В результате анализа экспериментальных данных по горению дров была выведена формула для средней локальной температуры Т в вихревом ядре. Исследование было затем распространено на случай полноразмерного огневого вихря смерча с учетом изменения Т по высоте для условий лесного пожара. После этого появилась возможность рассчитать осевую скорость в ядре, температуру, радиус ядра и линейную скорость горения топлива при наличии закрутки. Показано удовлетворительное согласие экспериментальных и расчетных величин.
