Влияние начальной закрутки потока на поле течения резко возрастает при увеличении степени закрутки (выраженной параметром закрутки S или углом установки лопаток φ). Эти эффекты обсуждаются подробно в гл. 3 и 4, однако целесообразно представить здесь некоторые аспекты недавних исследований и их приложений. Основное внимание сосредоточено на влиянии закрутки на характеристики, устойчивость пламени интенсивность горения в камерах сгорания. Проводимые исследования направлены на последовательное описание этих явлений, с тем чтобы использовать их при разработке конструкций. Рассмотренные вопросы и приведенные ссылки включают следующие темы:
- Закрученные потоки и рециркуляционные зоны [1—26).
- Закрученные пламена [18,27—29], взаимодействие многоструйных газовых пламен [30], данные о времени пребывания [31, 32] и подробные измерения уровня турбулентности [33, 34].
- Образование загрязняющих веществ [35—49] и вихревые модули [36—42].
- Центробежные эффекты, влияние сил плавучести на турбулентную скорость горения и вихревые усилители [50—55|.
- Вращающиеся поля течения |56—58].
- Вихревые эффекты, подобие рециркуляционных зон и эффектов разрушения вихрей [59, 60], прецессирующее вихревое ядро (ПВЯ) и сход радиально-осевых вихрей [61—63].
- Многокольцевые вихревые горелки [64].
- Пламена жидкого горючего [65—75].
Влияние слабой закрутки (S < 0,4) сводится к увеличению ширины свободной или ограниченной струи: увеличение ширины струи, подмешивание потока и уменьшение скорости в струе происходят интенсивнее при увеличении степени закрутки. Хотя могут существовать значительные градиенты давления в поперечном (или радиальном) направлении в любом сечении струи, отличие от нуля градиента является следствием влияния закрутки на распределение давления, которое описывается упрошенным уравнением движения
(1.13)
в пренебрежении вкладом турбулентных напряжений, поскольку они приводят к возникновению лишь незначительных продольных (или осевых) градиентов давления. При очень слабой закрутке (S < 0,2) градиент давления можно даже исключить из рассмотрения. Интегрирование уравнения (1.13) в радиальном направлении при любом осевом положении позволит определить давление в любой точке. По мере (быстрого) уменьшения скорости закрутки при смещении вниз по потоку осевое разрежение (давление ниже атмосферного в окружающей среде) можно вычислить и найти осевой градиент давления др/дх на оси струн. Таким образом, течения в слабо закрученных струях описываются уравнениями пограничного слоя с сохраненным в уравнении движения для основного направления слагаемым
др/дх, в то время как это слагаемое отсутствует в уравнении теории пограничного слоя для незакрученного течения. При малой интенсивности закрутки градиент давления, направленный против скорости основного потока, не достаточен для появления осевых обратных токов, как это показано на рис. 1.7. При более высокой интенсивности закрутки (S ≥0,6) возникают большие градиенты давления в радиальном и осевом направлениях вблизи выходного сечения сопла, что приводит к появлению осевой рециркуляции в форме ЦТРЗ, отсутствующей при более низких уровнях закрутки.
На рис. 1.8 показана образованная подобным образом рециркуляционная зона. Конечно, более тонкий анализ дает зависимость закрутки, например от геометрических параметров сопла, размера камеры, куда происходит истечение (если она имеется), и от конкретного вида профилей скорости на выходе из сопла.
Закрутка широко используется в большом числе практических приложений для организации эффективного чистого сгорания: в бензиновых и дизельных двигателях, в газовых турбинах (включая ЦТРЗ), в промышленных печах, бойлерах и во многих других практических нагревательных устройствах, в том числе в небольших домашних печах. В последнее время проявляется интерес к роторным двигателям (двигатель Ванкеля) и к двигателям со стратифицированным вдувом с точки зрения увеличения эффективности и чистоты сгорания. При конструировании инженер вынужден искать оптимальный путь при наличии трудносовместимых требований, таких, например, как высокая эффективность и отсутствие загрязнения окружающей среды.
Рис. 1.7. Типичное струйное течение при малой интенсивности закрутки (слабая закрутка, S <С 0,4), приводящей к появлению заметных поперечных градиентов давления и к образованию более широкой струи с меньшей скоростью, чем без закрутки.
Рис. 1.8. Типичное струйное течение при высокой интенсивности закрутки (сильная закрутка. S>0,6), приводящей к возникновению значительных поперечных и продольных градиентов давления, образованию более широкой струи с меньшей скоростью, чем в случае незакрученной струи, и приосевой тороидальной зоны обратных токов.
Рис. 1.9. Линии тока в закрученной кольцевой свободной струе. S= 1,57 [17]
Функции
Для прикладных задач с горением одним из наиболее существенных и полезных явлении в закрученных струйных течениях можно считать существование рециркуляционной зоны, образующейся в центральной части при сверхкритических значениях параметра закрутки (S ≈ 0,6 для закручивающих устройств с прямым выходом). При осреднения по большому про- межутку времени границы рециркуляционной зоны с обратными токами оказываются четко определенными. В таких течениях обычно наблюдаются большие значения сдвиговых напряжений и интенсивности турбулентности, так что возникают мгновенные крупномасштабные пространственные пульсации границ и критических точек. Рассчитанные по результатам измерений осредненных по времени распределений скорости линии тока для закрученной кольцевой свободной струи (распространяющейся из закручивающего устройства) со значением параметра закрутки S= 1,57 показаны на рис. 1.9 [17]. Рециркуляционная зона играет важную роль в стабилизации пламени, создавая поток горячих рециркулирующих продуктов сгорания и область пониженных скоростей, где скорость распространения пламени и скорость потока могут быть сделаны близкими друг другу. При этом длина пламени и расстояние от горелки, на котором происходит стабилизация пламени, значительно сокращаются.
Кроме того, в сложных турбулентных реагирующих течениях, встречающихся в камерах сгорания прямоточных двигателей, приходится учитывать такие явления, как распыление
топлива, закрутка и рециркуляция, что усложняет описание устойчивости пламени, характеристик горения и пульсаций горения Даже грубые черты течения известны неточно, чаете отсутствует количественная информация. Например, на существование, размеры и формы угловой рециркуляционной зоны и ЦТРЗ влияют следующие основные факторы:
- Интенсивность закрутки — параметр закрутки S или угол установки лопаток φ.
- Использование закручивающего лопаточного аппарата или закручивающего устройства с тангенциальной подачей — закрутка, как в свободном вихре, с постоянным значением окружной скорости или с профилем скорости, как в вынужденном вихре
- Наличие или отсутствие центрального тела (отношение d/dh).
- Степень расширения основной камеры (отношение D/d).
- Профилированное (суживающееся) сопло или течение с внезапным расширением при угле боковой стенки α; геометрические характеристики обтекателя.
- Течение с горением или изотермическое.
- Последующее поджатие на выходе (или без него).
- Использование плоских или аэродинамически спрофилированных закручивающих лопаток.
- Постоянный по радиусу угол установки закручивающих лопаток (либо изменяющийся).
Имеющиеся данные о влиянии этих факторов весьма разноречивы, однако требуется понимание основных черт явления как базы для построения моделей таких систем, например при использовании модульного и гибридного подходов (разд. 1.4). Основным результатом проводимых в настоящее время исследований будет возможность более точного описания и расчета структуры, размера и формы угловых и центральных рециркуляционных зон в зависимости от угла наклона стенки, степени закрутки потока на входе, степени расширения и других параметров закручивающего устройства и камеры сгорания.
Другое направление исследований связано с пламенами жидких топлив [65—75]. Встречающиеся на практике нефтяные пламена относятся обычно к одному из следующих основных типов:
Рис. 1.10 Стабилизация нефтяного струйного пламени с помощью внутренней зоны обратных токов в закрученной кольцевой струе [65].
- Первый тип представляет собой турбулентное диффузионное струйное пламя, в котором нефть распыляется сжатым воздухом или потоком (пневматическое распыление) и в котором количество движения топливной аэрозоли настолько велико, что его хватает для увлечения такого количества воздуха, которое необходимо для полного сгорания. Основные размеры пламени, такие, как его длина и угол расширения, могут быть рассчитаны на основе теории турбулентных струй при рассмотрении распылителя топлива как источника количества движения.
- Второй тип — это пламена с высоконапорной струей, в которых количество движения распыленного топлива мало по сравнению с количеством движения воздушного потока. В этом случае характерные размеры пламени будут в большей степени зависеть от поля течения воздушного потока, чем от струи распыленного топлива.
Взаимодействие струи распыленного топлива (нефти) с рециркуляционной зоной кольцевой закрученной струи в горелке показано схематически на рис. 1.10 [65], где приведены линии тока воздушного потока, рассчитанные по результатам измерения поля средней скорости в изотермических условиях с наложенными результатами обработки фотографий нефтяного пламени, что позволяет получить полную картину течения. Чтобы достичь стабилизации пламени, следует найти в поле течения область, где скорость распространения пламени совпадает со скоростью потока в прямом направлении и где количество подводимого тепла достаточно для возникновения процесса горения. Внутри рециркуляционной зоны скорость потока в продольном направлении уменьшается до нуля на границе возвратного потока, и, таким образом, всегда найдется область течения, где местная скорость распространения пламени будет совпадать с местной скоростью потока в направлении вперед. Поскольку рециркуляционный вихрь обычно проходит через фронт пламени, рециркулирующие продукты сгорания переносятся по направлению к горелке и проходят через факел распыленного топлива, перенося мелкие капли к фронту пламени и формируя фронт пламени, как это показано на рис. 1.10. Размером и интенсивностью рециркуляционной зоны можно управлять, изменяя степень закрутки в системе подачи воздуха. Подбирая угол факела распыленного топлива так, чтобы он соответствовал размеру и интенсивности рециркуляционной зоны, можно получить оптимальные условия с точки зрения хорошей стабилизации пламени, высокой эффективности сгорания и минимального выделения загрязняющих веществ [66]. Проведенные в последнее время работы по исследованию закрученных пламен жидкого топлива обсуждаются в работах [61—75].
Рис 1.11. Модель горения аэрозоли в следе за диском-стабилизатором [66]. А — ядро более холодных капель, движущихся с малой скоростью.
Рис. 1 12. Модель горения двухжидкостной распыленной аэрозольной струи:
1 — зона ускорения капель; 2— ядро холодных частиц с высокими скоростями; 3 — первичная зона реакции.
На практике используются два основных способа распыления жидкого топлива, и экспериментальные исследования этого вопроса включают следующие постановки [66]:
- Факел распыла в форме полого конуса. Жидкое топливо распыляется в форме конуса из топливной форсунки, и необходимый для горения воздух (также в общем случае закрученный) обтекает диск стабилизатора. Создаваемая таким образом рециркуляционная зона обеспечивает стабилизацию пламени, после прохождения полого конуса жидкость дробится на мелкие капли.
- Внутреннее смешение двух компонент или пневматический распылитель (пневматическая форсунка). В этом случае высокоскоростной поток сжатого воздуха истекает из сопла в виде двухфазной турбулентной струи. Теперь поток воздуха с малой скоростью окружает пламя, но количество движения, необходимое для увлечения требуемого для сгорания воздуха,сосредоточено внутри струи.
Измерения и наблюдения приводят к построению физических моделей, приведенных на рис. 1.11 и 1.12. Капли попадают в пламя в виде аэрозоли высокой плотности с довольно высокой скоростью движения относительно окружающего потока воздуха. Предполагается [66], что наличие богатой смеси вокруг капель и гасящее влияние жидкости приводят к образованию низкотемпературного аэрозольного ядра, в котором не могут протекать сколько-нибудь существенные химические реакции. Реакция происходит во внешней части аэрозоли, где отношения концентраций воздуха и топлива и температура в большей степени способствуют горению. В этих экспериментах не получено каких-либо подтверждений классической модели сгорания капель с окружающими их индивидуальными пламенами [66]. Существуют значительные разногласия но вопросу о том, какое описание наиболее пригодно в реальных случаях. Внутри ядра аэрозоли фактическая скорость испарения отдельных капель в общем случае играет лишь малую роль, поскольку испарение происходит в настолько богатой среде, что она находится за пределами воспламеняемости.
Для стабилизации пламени необходимо выполнение трех главных требований.
- Коэффициент избытка воздуха должен быть в пределах, соответствующих воспламеняемости.
- Скорость потока должна быть достаточно малой, чтобы совпадать со скоростью распространения пламени.
- К зонам, обозначенным на рис. 1.11 и 1.12, должен обеспечиваться подвод достаточного для поддержания химической реакции количества тепла.
И действительно, границы пламени наблюдаются за пределами границ аэрозоли.
