Изменение структуры потока с увеличением закрутки
С точки зрения организации процесса горения одно из наиболее существенных и полезных явлений в закрученных струйных течениях — это образование приосевой рециркуляционной зоны при сверхкритических значениях параметра закрутки. Путем осреднения по большому интервалу времени границу рециркуляционной зоны и зон обратных токов можно определить довольно точно. Мгновенное же положение границ и точек торможения претерпевает значительные колебания в пространстве, поскольку обычно в таких потоках уровень турбулентных сдвиговых напряжений и интенсивности турбулентности очень высок. Линии тока в кольцевой закрученной свободной струе, определенные по измеренным распределениям осредненной по времени скорости, показаны на рис. 1.9 (струя истекает из закручивающего устройства с тангенциальным подводом, S = 1.57).
Рециркуляционная зона играет важную роль в стабилизации пламени, поскольку обеспечивает рециркуляцию горячих продуктов сгорания и сокращает размер области, в которой скорость потока сравнивается со скоростью распространения фронта пламени. Существенно укорачиваются длина факела и расстояние от горелки, на котором происходит стабилизация пламени.
Конечно, воздействие закрутки на поток наряду с параметром S определяется еще целым рядом факторов, например: а) геометрией сопла (при наличии центрального тела размер рециркуляционной зоны увеличивается, то же происходит при добавлении диффузорной надставки на выходе); б) ее размерами—когда истечение происходит в камеру (приосевая рециркуляционная зона в стесненном потоке больше, чем в свободной струе при одинаковых условиях истечения); в) формой профиля скорости на выходе (рециркуляционная зона в потоке, созданном лопаточным завихрителем, длиннее по сравнению со случаем истечения из закручивающего устройства с аксиально-тангенциальным подводом).
Размер и форма рециркуляционной зоны и соответствующей области с повышенным уровнем турбулентности оказывают решающее влияние на устойчивость факела, интенсивность процесса горения и другие характеристики пламени. Независимо от типа закручивающего устройства (за исключением лопаточного завихрители без втулки) небольшая область рециркуляционного течения всегда существует вблизи выхода из сопла, а картина линии тока в ней аналогична представленной на рис. 19. Основные различия при этом состоят в количестве газа, вовлекаемого в рециркуляционное движение, и, как показано на рис. 4. 12., взятом из работы [4], в свободных закрученных струях существует хорошая корреляция между параметром закрутки S и относительным потоком массы Мr/М0, вовлеченной в рециркуляционное движение.
Рис. 4.5. Распределение продольной составляющей скорости вдоль оси при различных значениях параметра закрутки [5].
Рис. 46. Изменение максимальных значений параметров вдоль струи [21]:
а — продольная скорость; б — окружная; в — радиальная
Здесь индексы r и 0 относятся соответственно к параметрам возвратного течения и начальным параметрам. Если в устье закручивающего устройства расположена трубка для подачи топлива, то Мr/М0 вдвое уменьшается, а наличие на выходе диффузорной надставки сильно увеличивает Мr/М0, при заданном значении параметра закрутки, В то время как обычно обратные течения появляются при значении S≈0,6, очевидно, что для устройства с диффузором на выходе это значение существенно меньше [6].
Изменение продольной составляющей скорости вдоль оси струи круглого сечения при различных значениях параметра закрутки показано на рис. 4.5 [5]; струя распространялась из закручивающего устройства с тангенциальным подводом. При малых интенсивностях закрутки (S<0,1) вблизи выхода наблюдается потенциальное ядро (т. е. область неизменной скорости). С увеличением параметра закрутки длина ядра уменьшается, и при 5 = 0,5 максимальное значение и смещается от оси. При S > 0,6 на оси появляется обратный поток. Специальный эксперимент, в котором параметр закрутки по возможности непрерывно изменялся в диапазоне 0,3 ... 0,64, показал, что изменение распределения происходит монотонно, без скачков, не было обнаружено существенной разницы и при повторении опыта с изменением S в том же диапазоне, но в обратной последовательности. В соответствии с ростом темпа расширения струн возрастает скорость эжекции, вследствии чего ускоряется вырождение неравномерности скорости и концентрации жидкости, истекающей нз сопла. Это положение иллюстрируют экспериментальные данные [21], представленные на рис. 4.6, где для различных значений параметра закрутки приведены распределения вдоль струи максимальных значений продольной (рис. 4.6, а), окружной (рис. 4.6,б) и радиальной (рис. 4.6, в) скоростей. При высокой интенсивности закрутки, когда начинает образовываться рециркуляционная зона и по являются области малых или отрицательных значений продольной составляющей скорости, ее максимум смещен от оси струи. Отметим, что вниз по потоку максимальные значения продольной и радиальной составляющих скорости, а также минимальное значение давления изменяются обратно пропорционально приведенному расстоянию от среза сопла в степенях один, два и четыре соответственно.
Структура рециркуляционной зоны
Картины течения в рециркуляционных зонах, образующихся в потоках за различными закручивающими устройствами, имеют тем не менее много общих черт. Результаты недавних детальных исследований структуры потока за закручивающим устройством с аксиально-тангенциальным подводом, изображенном на рис. 4.3, представлены на рис. 4.7, 4.8 [17] и рис. 4.9 [18]. На выходе из закручивающего устройства формируется большая приосевая рециркуляционная зона тороидальной формы. Параметр закрутки S = 2,2; при этом, как показано на рис 4.7, ЦТВЗ занимает 75 % диаметра выхода, и в нее оказывается вовлеченным поток массы, составляющей 80 % от потока через сопло. Распределение окружной скорости внутри завихрители имеет вид, присущий вихрю Рэнкина, т. е. распределение скорости является комбинацией распределений в свободном вихре и в потоке, вращающемся как целое. В выходном сечении окружная скорость распределена по закону вращения газа как целого (рис. 4 8).
В рециркуляционной зоне интенсивность турбулентности достигает очень высокого уровня.
Рис. 4.7. Изолинии функции тока φ/φ0. Штриховая линия соответствует нулевым значениям продольной скорости.
Рис. 4.8. Распределение окружной скорости по радиусу.
На границе обратного течения, где средняя скорость равна нулю, величина локальной интенсивности турбулентности стремится к бесконечности. Измерения всех шести компонент тензора турбулентных напряжений показывают, что распределение кинетической энергии турбулентности сильно неоднородно, а напряжения и соответственно тензор коэффициентов турбулентной вязкости сильно неизотропны. Обнаружено также, что коэффициенты переноса здесь являются функциями как точки пространства, так и параметра закрутки. На рис. 4.9а показано, что приведенная кинетическая энергия турбулентности достигает значения 300 % за кромкой сопла и быстро затухает на расстоянии, равном одному диаметру. При отдельном рассмотрении пульсаций продольной и окружной скоростей обнаруживается сильная анизотропия турбулентности. Максимум пульсаций окружной скорости (рис. 4.9,б) наблюдается прямо под кромкой сопла при 2r/d =0,8 причем пульсации быстро затухают по направлению к оси симметрии Интенсивность пульсаций продольной скорости (рис. 4.9,в) имеет два максимума, один сразу за кромкой при 2r/d = 0,9 и другой внутри вихревой горелки вблизи оси симметрии. Ниже будет показано, что такие высокие уровни турбулентности обусловлены трехмерным нестационарным возмущением закрученного течения — так называемым прецессирующим вихревым ядром (ПВЯ).
Имеется очень мало данных о структуре турбулентности для более сильно закрученных струй. Исключение составляет работа [ 19], в которой для потока, истекающего из циклонной камеры, аналогичной по конструкции закручивающему устройству, изображенному на рис. 4.3, но при очень большом значении параметра закрутки (S≈31), получены аналогичные приведенным выше распределения средних и пульсационных составляющих скоростей и кинетической энергии турбулентности. Обнаружено, что в зоне обратного тока закрутка практически отсутствует. Об этом также свидетельствуют данные работы [18], полученные с помощью визуализации потока в экспериментах на воде. При установке на циклонную камеру сужающегося насадка абсолютный уровень среднеквадратичного значения пульсаций скорости возрастает в 3 ... 5 раз. С учетом увеличения средней скорости в горле насадка это означает, что приведенная кинетическая энергия турбулентности уменьшилась примерно на 30 %. Увеличение средней скорости в горле насадка есть в свою очередь следствие уменьшения диаметра (примерно в 2,5 раза). Тем не менее следует помнить, что при уменьшении диаметра горловины в 2,5 раза пропорционально уменьшается параметр закрутки; таким образом, можно сделать вывод, что сужающийся насадок дает возможность сохранять ту же энергию турбулентности при уменьшении параметра закрутки. Это в свою очередь означает, что потери полного давления в закручивающем устройстве будут намного меньше (см. ниже рис. 4.18).
Распределения характеристик турбулентности в слабозакрученных струях (S≤0,6), аналогичные распределениям в струях с сильной закруткой, показанным на рис. 4.9, получены в работе [20]. Там же определено сечение, расположенное на расстоянии примерно в 3 ... 4 диаметра от среза сопла, начиная с которого максимальные значения интенсивностей турбулентных пульсаций в закрученной струе становятся меньше, чем в незакрученной. Более интенсивное расширение струи приводит и к более интенсивной диссипации.
Форма и размер рециркуляционной зоны и соответствующей области с повышенным уровнем турбулентности оказывают решающее влияние на устойчивость факела, интенсивность процесса горения и другие характеристики пламени. К настоящему времени получено достаточно много данных, позволяющих провести сопоставление характеристик различных закручивающих устройств и определить влияние на изотермический поток различных модификаций их геометрии, таких, как установка на выходе из закручивающего устройства конических диффузоров, трубок или форсунок для впрыска топлива, топочных камер.
Рис. 4.10. Изолинии функции тока φ/φ0 за вихревой горелкой с цилиндрической выходной частью при S — 1,57 [21].
Рис. 4.11а. Линии тока за диффузорным выхлопным соплом с полууглом раскрытия 31,5° при S = 1,17 [22]. Штриховой линией обозначена граница зоны обратных токов. Измерения внутри диффузора не проводились
Рис. 4.11б. Линии тока за диффузорным выхлопным соплом с полууглом раскрытия 21,5° при 5= 1.27 [22]. Штриховой линией обозначена граница зоны обратных токов. Измерения внутри диффузора не проводились.
Наряду с картиной линий тока, представленной на рис. 4.7, на рис. 4.10 и 4.11а и 4.11б приведены три аналогичные картины, полученные в работах [21, 22]. Можно видеть, что область рециркуляционного течения всегда существует вблизи выхода из сопла и что картины течения во всех случаях сходны; основное различие связано с потоком массы, вовлекаемым в рециркуляционное движение. Если имеющиеся данные нанести на один график (рис. 4.12), становится ясно, что в свободных закрученных струях между параметром закрутки и потоком массы, вовлеченным в рециркуляционное движение, существует корреляция.
Тип закручивающего устройства (за исключением лопаточного завихрители без втулки) и наличие соосных трубок для подвода топлива или форсунок, по-видимому, не влияют на характер связи. Для устройств с цилиндрической выходной частью представленные данные можно описать зависимостью
где М — поток массы газа, вовлеченного в рециркуляционное движение.
