Закрученные потоки - Характерные особенности закрученных потоков

Глава 4
Течения при сильной закрутке потока

ХАРАКТЕРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ЗАКРУЧЕННЫХ ПОТОКОВ
В топливосжигающих устройствах наряду с другими возможностями воздействия на характеристики пламени часто используется закрутка
[I—4]. Закрутка воздуха, впрыскиваемого топлива или того и другого весьма благоприятно сказывается на структуре течения, что в свою очередь способствует достижению проектных характеристик устройств. Как указывалось в гл. I, для того чтобы придать потоку вращение, используются лопаточные завихрители, закручивающие устройства с аксиально-тангенциальным подводом, а также непосредственный тангенциальный вдув в камеру сгорания. Интенсивность закрутки обычно характеризуется безразмерным параметром S, который представляет собой отношение потока момента количества движении к потоку осевого импульса, умноженному на эквивалентный радиус сопла. В гл. 1 уже отмечались основные черты закрученных течений и области их практического применения. Согласно экспериментальным данным [5—7], закрутка влияет на крупномасштабную структуру потока и пропорционально своей интенсивности изменяет ширину струи, скорость эжекции, темп вырождения неравномерности (в химически инертных потоках), размер, форму и устойчивость факела и интенсивность процесса горения (в потоках с химическими реакциями). В сильнозакрученных потоках (где S ≥ 0,6) имеются значительные осевые и радиальные градиенты давления, которые приводят к образованию ЦТВЗ, отсутствующей при меньших значениях параметра закрутки. Наличие этой зоны с интенсивной завихренностью способствует выполнению ряда требований, предъявляемых к камерам сгорания, а именно позволяет:

1. Уменьшить длину факела за счет повышения скорости эжекции воздуха из окружающей среды и увеличения интенсивности перемешивания вблизи среза сопла и границ рециркуляционной зоны.
2. Повысить устойчивость факела благодаря вовлечению горячих продуктов сгорания в рециркуляционную зону.
3. Увеличить время жизни оборудования и уменьшить потребность в его ремонте, поскольку стабилизация осуществляется аэродинамическими средствами, и потому воздействие пламени на твердые поверхности (воздействие, приводящее к перегреву и образованию нагара) минимально.

Кроме ЦТВЗ, появляющейся при значениях параметра закрутки, превышающих некоторую критическую величину, в канале с внезапным расширением может возникать угловая рециркуляционная зона. О существовании этой зоны и о ее влиянии на характеристики пламени хорошо известно специалистам по горению, которые стараются использовать рециркуляцию горячих продуктов сгорания и плохообтекаемую форму зоны как средство повышения эффективности процесса горения. Различные применения этих эффектов описаны в данной книге и монографиях. Исследования, выполненные в этом на
правлении в последнее время, обобщены в работах [5—7] и многих других, которые здесь нет Необходимости перечислять, поскольку они уже указывались в гл. 3 при анализе течений со слабой закруткой.
В сложных турбулентных реагирующих потоках взаимное влияние распыления топлива, закрутки, больших сдвиговых напряжений и рециркуляционных зон сильно осложняет исследование устойчивости пламени, его осредненных и пульсационных характеристик. Как отмечалось в гл. I, даже основные свойства течения количественно определены с недостаточной степенью точности; это относится, например, к угловой и приосевой рециркуляционным зонам, существование, форма и размер которых зависят в основном от следующих факторов:

1. Интенсивность закрутки; характеризуется параметром закрутки S или углом установки лопаток завихрители φ.
2. Способ создания закрутки — с помощью лопаточного завихрители или закручивающего устройства с тангенциальным подводом, а в зависимости от типа устройства реализуется вращение по закону свободного вихря, по закону вращения как целого или поток с равномерным распределением окружной скорости.
3. Наличие втулки (отношение d/dh).
4. Степень диффузорности камеры сгорания (отношение Did).
5. Наличие на выходе вихревой горелки диффузорной надставки (из огнеупора) или камеры с внезапным расширением Форма надставки, угол наклона торцевой стенки камеры с внезапным расширением а.
6. Процесс горения.
7. Поджатие выходного сечения камеры сгорания.

8.   Форма лопаток завихрителя — плоские или профилированные.
9. Форма лопаток завихрителя — радиальные или пространственные.

Рис. 4 1. Схема вихревой горелки с аксиально-тангенциальным подводом: 1—трубка для впрыска топлива; 2 —аксиальная подача воздуха; 3 — тангенциальная подача воздуха; 4 — направляющие устройства; 5 — четыре прямоугольных отверстия размером 20 X 100 мм для тангенциальной подачи воздуха.

Одна из целей данной главы состоит в изложении современных представлений о влиянии перечисленных факторов на течение.
На практике наиболее распространены два типа топливо- сжигающих устройств, в которых используется закрутка:

Рис. 4.2. Схема камеры сгорания циклонного типа с распределенной подачей топлива и воздуха (конструкция ЭНИН). Камера относится к типу IV (см. разд. 5.3).

1. вихревая горелка (рис. 4.1), из которой поток истекает в атмосферу, в топку или замкнутую полость. Горение происходит главным образом за сечением выхода вне горелки. Набор таких горелок можно использовать для поддержания огня в топке или в замкнутом объеме. Течения такого рода рассматриваются в данной главе;

Рис. 4.3. Схема закручивающего устройства с аксиально-тангенциальным подводом:
1 — воздух или газ, подаваемый аксиально, внутренний диаметр подводящего канала 12,5 мм; 2 — тангенциальная подача воздуха; 3 — щели для тангенциальной подачи воздуха, ширина щели 4В мм, длина—350 мм; 4 — нагнетательная камера; 5—вихревая камера, внутренний диаметр 175 мм. длина 560 мм.

2)  камера сгорания циклонного типа, в которой подвод воздуха осуществляется тангенциально, а выхлоп производится через отверстие в центре торцевой поверхности (рис. 4.2). Горение происходит главным образом внутри циклона, а его стенки часто служат теплообменником. Течения в циклонах обсуждаются в гл. 5.

При достаточно больших значениях числа Рейнольдса и большой величине параметра закрутки (Re >1,8-10 и S > 0,6) в обоих системах образуется ЦТВЗ и генерируется высокий уровень турбулентности. Циклоны обычно используются для сжигания плохо горящих материалов, таких, как бурый уголь, уголь с большой зольностью или органические отходы.
В гл. 3 описано, как воздействует закрутка на турбулентные струи и факелы, вызывая с ростом параметра S рост ширины струи скорости эжекции и темпа вырождения неравномерности. Основное внимание в предыдущей [лаве уделено течениям с малыми значениями параметра закрутки без при- осевых рециркуляционных зон. Математическая модель таких течений основана на уравнениях пограничного слоя, которые имеют параболический тип и решаются маршевыми методами.

В данной главе ограничения на величину параметра закрутки снимаются и рассматриваются течения с рециркуляционными зонами (как с угловыми рециркуляционными зонами, существующими и в слабозакрученных потоках, так и с приосевыми рециркуляционными зонами, появляющимися при интенсивной закрутке потока). Такие течения описываются эллиптическими уравнениями, которые решаются итерационными релаксационными методами. Особенности структуры потока и процессов в циклоне рассматриваются в гл. 5.
Течения с сильной закруткой, приводящей к образованию рециркуляционных зон, можно создать различными способами:

1. тангенциальным подводом (закручивающее устройство с аксиально-тангенциальным подводом) (рис. 4.3);
2. направляющими лопатками (лопаточная решетка или, иначе, завихритель) (рис. 4.4). Если лопатки смонтированы на втулке, то устройство называется кольцевым лопаточным завихрителем, если нет, то устройство называется безвтулочным завихрителем,
3. непосредственным вращением (вращающаяся труба);
4. спиральным закручивающим устройством;
5. решеткой направляющих лопаток в канале радиального подвода;
6. эймёйденским закручивающим устройством с адаптивными блоками (более подробное описание дано ниже, см. также рис. 4.58).

Имеется очень большое количество формул, связывающих геометрические параметры устройств с интенсивностью закрутки потока на выходе, характеризующейся параметром S, который определен соотношением (1.1).

Рис. 4.4. Схема кольцевого лопаточного завихрители с восемью лопатками.

Некоторые наиболее распространенные формулы для S приведены в гл. I, другие можно найти в работах [2, 3, 8—16, 29]. При создании лопаточных завихрителей в настоящее время используются профилированные пространственные лопатки, которые более эффективно закручивают поток. У таких лопаток передняя кромка располагается навстречу набегающему потоку, и потому отрывная зона минимальна, а в результате получается более равномерный поток на выходе. Важной характеристикой таких лопаток является угол установки задней кромки.
Помимо параметра закрутки поток, в котором наблюдается явление распада вихря, характеризуется также числом Рейнольдса, определяющимся параметрами на выходе из сопла и его диаметром:
где uсp — среднее значение осевой составляющей скорости, v—кинематическая вязкость, зависящая от температуры на выходе из сопла.
При наличии в закрученном потоке прецессирующего вихревого ядра (ПВЯ) (см. разд. 4.3) необходимо, согласно [13], учитывать еще несколько параметров:
— приведенная частота (одна из форм записи числа Струхала); Сθ d/(pQ2) — приведенный момент количества движения; Gθ — поток момента количества движения;
Δρ d3/Gθ — приведенная интенсивность пульсаций давления.