Содержание к диссертации
Введение
1. Особенности течения газа при обращении пламени на теле обтекания 12
1.1 Влияние обращения и опрокидывания пламени на его структуру и перестройку течения 14
1.2 Методы исследования структуры обращенного опрокинутого пламени и тепломассообмена в вихревом течении 22
1.3 Программа исследований 34
2. Методика эксперимента 36
2.1 Объекты исследований 37
2.2 Системы и методы визуализации вихревых течений, автоматического контроля и измерения параметров среды 47
2.2.1 Метод муарового аналога интерференции для измерения глубины выгорания поверхности теплообмена 48
2.2.2 Метод цифровой фотометрии для исследования температурного поля пламени 52
2.2.3 Метод светящихся треков 65
3. Закономерности самопроизвольного формирования вихревых структур в обращенном пламени 68
3.1 Устойчивость обращенного пламени 68
3.1.1 Границы устойчивости обращенного пламени в параллельном потоке 70
3.1.2 Границы устойчивости опрокинутого обращенного пламени в параллельном потоке 82
3.1.3 Границы устойчивости опрокинутого пламени, обращенного на поперечном стабилизаторе 86
3.2 Изменение структуры и скорости теплообмена в обращенном пламени при его опрокидывании 92
4. Физические явления, определяющие горение и теплообмен в обращенном пламени 101
4.1 Влияние дрейфа на продольном стабилизаторе на гистерезис условий стабилизации пламени 104
4.2 Механизмы влияния вихреобразования в «опрокинутом» пламени на интенсивность теплообмена 105
4.3 Влияние гидродинамического растяжения пламени на его структуру 108
Заключение 113
- Методы исследования структуры обращенного опрокинутого пламени и тепломассообмена в вихревом течении
- Метод муарового аналога интерференции для измерения глубины выгорания поверхности теплообмена
- Границы устойчивости опрокинутого обращенного пламени в параллельном потоке
- Механизмы влияния вихреобразования в «опрокинутом» пламени на интенсивность теплообмена
Введение к работе
описание развития гидродинамической неустойчивости фронта пламени и турбулентное горение;
разработка способов управления сгоранием топлива в энергетических и силовых установках для достижения высокой эффективности при низком уровне вредных выбросов;
создание и развитие оптических методов диагностики процессов горения.
Течение среды с фронтальными химическими реакциями вблизи тела, формирующего пограничный слой, вызывает значительный научный и практический интерес в связи с фундаментальными проблемами теории турбулентности и возможностью существенной интенсификации процессов тепломассообмена. Влияние теплового и динамического пограничного слоя на формирование и устойчивость фронта горения многогранно и неоднозначно. Построение теорий, адекватно отражающих формирование и устойчивость фронта пламени, а также процессы переноса вблизи него сопряжено с недостатком экспериментальных данных. Сведения о закономерностях формирования пограничного слоя вблизи тела обтекания очень малых размеров в научной литературе отсутствуют вообще. Закономерности стабилизации пламени и горения газов вблизи тела обтекания, имеющего характерный размер, сравнимый с тепловой толщиной фронта, практически не изучены. В ламинарной струе газа развитие пограничного слоя вдоль оси струи приводит к появлению двух и более максимумов в радиальном профиле скорости, что является причиной периодического вихреобразования и неустойчивости горения. Опрокидывание пламени относительно вектора ускорения свободного
падения является еще одной причиной расширения диапазона чисел Рей-нольдса и Рэлея, при которых возможно формирование вихревых структур.
Известно, что в промышленных горелках наиболее распространенным способом интенсификации процессов горения и теплообмена является принудительная закрутка газа в камере сгорания. Достижение необходимого эффекта связано с увеличением интенсивности закрутки, которая достигается путем усложнения конструкции камеры сгорания и требует дополнительных энергетических затрат. Это снижает экономическую и технологическую эффективность известных топочных устройств. Известно, что опрокидывание пламени позволяет достигнуть скорости вращательного движения газа того же порядка, что и в диссипативных вихревых структурах Рэлей-Бенара, Марангони и в течениях с принудительной закруткой. Наличие поверхности стабилизатора или стенок камеры сгорания позволяет создать необходимые направление и величину теплового потока из зоны горения. Сопутствующими физическими эффектами, определяющими развитие вихревых структур, являются: немонотонное и неодномерное распределение концентраций компонент горючей смеси, характерное преломление линий тока во фронте обращенного пламени и гидродинамическое растяжение фронта пламени (стретч-эффект), вызванное тангенциальной составляющей скорости потока относительно фронта пламени или изменением его кривизны. Первые два из этих эффектов позволяют получить различные конфигурации фронта пламени от плоской поверхности до вывернутого и перевернутого круглого конуса. Опрокидывание конуса пламени вершиной вниз вызывает появление от одного до нескольких максимумов (и минимумов) температуры на фронте пламени, что позволяет получить сверхадиабатические температуры в газовоздушном пламени и изменять направление тепловых потоков из зоны горения. Стретч-эффект усугубляет ситуацию с перераспределением тепловых потоков вблизи фронта пламени. Однако экспериментальные данные о влия-
ний стретч-эффекта на распределение температуры во фронте пламени и его роли в развитии неустойчивости горения и процессах переноса в научной литературе отсутствуют.
В опрокинутом пламени вблизи стенок камеры сгорания можно создать условия для формирования не только стационарных, но и колебательных вихревых структур. Периодическое вихреобразование при отрыве пограничного слоя порождает когерентные нестационарные вихревые структуры. Взаимодействие обоих типов вихревых структур является причиной появления гистерезиса геометрических параметров пламени и скорости тепловыделения в зависимости от расхода газа и, соответственно, тепловой мощности горелки.
При формировании обращенного пламени на стабилизаторе, расположенном вдоль оси струи горючей газовой смеси возможен ряд физических эффектов, вязанных с дрейфом пламени вверх-вниз по потоку. Явление самопроизвольного перемещения фронта пламени при постоянном объемном расходе горючей газовой смеси не изучено, хотя имеет технические приложения в области создания горелочных устройств специального назначения.
Есть еще одно важное приложение явления формирования вихревых структур в пламени, обращенном на стабилизаторе, расположенном вдоль оси струи, связано с возможностью формирования такого поля концентраций и температур, при котором в отдельных зонах пламени генерируются нано-частицы углерода. Кроме того, обращение пламени при продольном обтекании стабилизатора позволяет управлять положением пламени в широком диапазоне координат и осаждать углеродные наночастицы в заданных точках внутренней поверхности камеры сгорания.
В настоящее время имеются лишь отдельные теоретические и экспериментальные исследования в этом направлении.
Цель диссертационной работы состоит в получении закономерностей формирования обращенного пламени на тонких стабилизаторах с толщиной, меньшей тепловой ширины фронта пламени, расположенных вдоль или поперек потока заранее перемешанной горючей газовой смеси и исследовании устойчивости горения и влияния вихреобразования в обращенном пламени на интенсивность теплопередачи из зоны горения в стенки камеры сгорания.
Достижение указанной цели требует решения ряда научных задач:
разработка экспериментальной установки и методики комплексного изучения гидродинамических и теплофизических явлений, происходящих при обращении и опрокидывании газовоздушного пламени;
разработка системы и методов визуализации течений в пламени, расчета температурных и концентрационных полей;
определение областей устойчивости обращенного пламени в различных граничных условиях, создаваемых в модельном горелочном устройстве при изменении безразмерных критериев Рейнольдса, Пекле, Карловица;
изучение тепловой структуры пламени и ее влияния на тепломассообмен в модельной камере сгорания;
построение физической модели формирования вихревых структур в обращенном пламени и их влияния на интенсивность процессов теплопередачи из зоны пламени в стенки камеры сгорания.
Научная новизна. В диссертационной работе впервые:
Предложен новый способ стабилизации обращенного пламени при расположении струны-стабилизатора вдоль оси струи газовоздушной смеси.
Экспериментально определены границы устойчивости обращенного пламени в координатах чисел Рейнольдса, Карловица и диффузионного числа Пекле. Подтверждена гипотеза о влиянии пограничного слоя, формирующегося на стабилизаторе, на границы устойчивости.
Получены новые данные о влиянии обращения и опрокидывания газовоздушного пламени на тепловую структуру пламени. Определены условия влияния стенок модельной камеры сгорания на устойчивость горения.
Изучены закономерности влияния вихревых структур на интенсивность процессов тепломассообмена. Установлено, что тепловой поток из зоны пламени к стенкам модельной цилиндрической камеры сгорания увеличивается на 20%.
Обнаружены гистерезисные явления при формировании обращенного пламени в координатах в виде зависимостей геометрических параметров пламени от скорости газовоздушной смеси.
Обнаружено и изучено явление дрейфа пламени вдоль стабилизатора.
Предложены новые оригинальные методы диагностики процессов горения: а) метод цифровой фотометрии исследования температурного и концентрационного полей прозрачного пламени; б) метод муарового аналога интерференции для измерения глубины выгорания поверхности теплообмена.
Разработан физический механизм формирования вихревых структур в обращенном пламени и их влияния на интенсивность процессов тепломассообмена. Показано, что формирование вихревых структур в опрокинутом обращенном пламени происходит под влиянием встречной струи восходящих продуктов горения и обусловлено характерным профилем скорости газа с перегибом, формирующимся в пограничном слое.
На защиту выносятся: 1) Комплексная методика экспериментального исследования структуры обращенного пламени и вихревых течений, позволившая визуализировать поля скоростей, произвести измерения полей температур, измерить величину тепловых потоков из зоны горения на поверхность камеры сгорания, устано-
вить физические процессы, приводящие к вихреобразованию и увеличению интенсивности теплообмена.
Экспериментальные результаты, подтверждающие: а) влияние профиля скорости газа на границы устойчивости обращенного пламени в открытой атмосфере, в полуоткрытой цилиндрической трубе и в плоском канале Хил-Шоу; б) влияние профиля скорости газа на расширение области формирования вихревых структур в координатах чисел Рейнольдса по сравнению с необращенным пламенем; в) изменение интенсивности теплопередачи на поверхность теплообмена при перестройке потенциального течения в вихревое.
Экспериментальное и теоретическое обоснование предлагаемых физических механизмов самоорганизации стационарных вихревых структур в пламени, согласно которому спонтанная самоорганизация вихревых течений вызвана: а) характерным профилем скорости газа в газовоздушной струе, формирующимся под влиянием пограничного слоя; б) свободно-конвективной неустойчивостью, в зависимости от ориентации фронта пламени и направления его распространения относительно вектора ускорения свободного падения.
Экспериментальное и теоретическое обоснование предлагаемых физических механизмов самопроизвольного дрейфа пламени вдоль вертикально расположенного стабилизатора-струны, согласно которому скорость дрейфа пламени связана с прогревом стабилизатора. Гистерезис геометрических параметров пламени в зависимости от скорости газовоздушной смеси обусловлен дрейфом пламени вдоль стабилизатора.
Практическая ценность и внедрение результатов диссертационной работы заключаются в следующем:
1) Обнаруженные закономерности формирования обращенного пламени и изменения его структуры дополняют представления о возможных причинах и условиях спонтанного вихреобразования при малых числах Рейнольд-
са, влиянии вихревой структуры на неустойчивость горения, скорость и полноту сгорания топлива, величину и направление теплового потока из зоны горения.
Полученные количественные данные могут быть использованы для разработки горелочных устройств с новыми эксплуатационными характеристиками, а также для повышения экономичности камер сгорания.
Оригинальные методы диагностики пламени могут применяться для широкого круга объектов исследования, связанных с горением и низкотемпературной плазмой.
Диссертационная работа выполнялась на кафедре экспериментальной физики Сургутского государственного университета (2005-2008 г.г.). Разработанные методы диагностики пламени применялись в экспериментальных исследованиях горения газовых и конденсированных систем, выполнявшихся по госбюджетной теме кафедры экспериментальной физики СурГУ. Госбюджетная тема зарегистрирована во ВНТИЦ за № 0120.0 802766. Выполнение работы поддержано 2 грантами и 2 премиями Губернатора Ханты-Мансийского автономного округа - Югры в 2006 и 2007 годах.
Апробация работы.
Основные результаты работы, изложенные в диссертации, опубликованы в работах [1-9] и докладывались на:
1Х-ом Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (Нижний Новгород, Россия, 2006 г.);
13-ой Международной конференции по аэрофизическим методам исследования (Новосибирск, 2007 г.);
Международной конференции «Сопряженные задачи механики реагирующих сред, информатики и экологии (Томск, 2007 г.);
9-ом Международном Симпозиуме по самораспространяющемуся высокотемпературному синтезу (Дижон, Франция, 2007 г.);
8-ой научной конференции «Наука и инновации 21 века» (Сургут, 2007 г.);
9-ой научной конференции «Наука и инновации 21 века» (Сургут, 2008 г.);
Также основные результаты опубликованы в 2 журналах, относящихся к перечню Высшей аттестационной комисии [4, 7].
Количество основных работ по диссертации - 9.
Структура и объём диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 94 наименований и 2 приложений. Общий объём составляет 128 страниц, включая 44 рисунка.
Методы исследования структуры обращенного опрокинутого пламени и тепломассообмена в вихревом течении
Экспериментальное изучение структуры углеводородных вихревых газовоздушных пламён осложняется существованием высокоградиентных температурных и концентрационных областей, а также присутствием недого-ревших мелкодисперсных сажевых частиц различных фракций. Это осложняет получение достоверных абсолютных значений температуры и концентрации при использовании только одного метода исследования. В работе [32] экспериментально исследовано горение облака и отдельных частиц нонана (С9Н20) при повышенных давлениях. Размеры частиц находились в интервале от 0,57 мм до 0,63 мм при давлении до 30 атм. Характеристики частиц и самого нестационарного пламени измеряли, используя высокоскоростную цифровую видеокамеру и фотодиод, фиксировавший излучение в широком диапазоне волн. При давлениях свыше 10 атмосфер излучение пламени становится слишком сильным и отдельные капельки горючего визуализируются не отчетливо. Авторами отмечается влияние частиц сажи на полученные результаты. Среднее напряжение на фотодиоде увеличивается монотонно при увеличении давления, поскольку оно приводит к увеличению сажеобразования в пламени. До настоящего времени считалось, что излучение углеводородных пламён с недостатком горючей компоненты определяется не законами теплового излучения, а хемилюминесценцией. Поэтому в отдельную группу оптических методов для исследования структуры пламени выделяются методы атомной и молекулярной флуоресценции и спектроскопии, позволяющие исследовать текущие изменения химического состава в реагирующем потоке газа. Обоснование такого подхода получено в работах [33, 34]. Эта группа методов в последние годы находит все большее развитие и применение для исследования химической и гидродинамической структуры течения [35-41]. В работе [35] разработан новый метод спектроскопии, использующий явление флуоресценции среды, возбуждаемой лазерным излучением. Метод опробован в целях визуализации двумерных распределений интенсивности флуоресценции радикалов ОН, порождаемых в реакциях горения метано-кислородных и водородно-кислородных смесей. Не касаясь физических основ спектроскопических методов, направленных на исследование микросостояния среды, следует отметить, что проблема измерения интенсивности излучения является одной из главных.
В одной из последних экспериментальных работ [36] представлены результаты исследований процесса вибрационного горения водорода в эжекти-руемом потоке воздуха в кварцевых трубах. Исследования выполнены с помощью оптической системы, позволяющей регистрировать интенсивность свечения радикалов ОН в водородном факеле. Авторы использовали комбинацию двух методов: фоторегистрации свечения пламени в видимой области и регистрации излучения электронно-возбужденных радикалов ОН в ультрафиолетовом диапазоне волн 280- -320 нм. Оптическая система состояла из оптического фильтра, кварцевой линзы, фотоэлектронного умножителя ФЭУ-39А. Сигнал с ФЭУ подавали на блок регистрации, представлявший собой магнитограф Н067. Излучение пропускали через щелевую диафрагму шири- ной 3 мм, что позволило получить лишь интегральное распределение интенсивности излучения по длине факела. По результатам измерений найдено положение зон локального тепловыделения. Необходимо отметить, что в большинстве оптических методов исследуются лишь интегральные характеристики. Изменение интегральной величины любого физического параметра вместе с изменением геометрии пламени вызывает затруднение при анализе полученных результатов. Также как и в предыдущей работе, авторы работы [37] использовали метод лазерного возбуждения флуоресценции для исследования структуры вихревого течения в пламенах, образованных при горении не перемешанных метановоздушных смесей. Измерение распределения интенсивности свечения радикалов ОН позволило авторам работы [38] выявить положение зоны реакции в области рециркуляции. Авторы работы [39] применили метод лазерного возбуждения флуоресценции для исследования профилей температуры и концентрации в газовоздушных пламенах при малых давлениях атмосферы. В работе [40] люминесценцию гидроксильных радикалов ОН использовали для точных измерений высоты метановоздушных и этилено-воздушных обращенных пламён цилиндрической формы. В работе [40] обсуждаются трудности применения методов оптической термометрии для получения достоверных измерений температуры, с погрешностью, меньшей 1%. В качестве калибровочного метода авторы работы [40] предлагают использовать высокоточную термометрическую систему, основанную на рэлеевском рассеянии света. Авторами усовершенствован метод рэлеевского рассеяния для высокоточных измерений температуры. Относительная погрешность измерений уменьшена до 2%. Такой результат достигнут благодаря чувствительности блока рэлеевского сканирования к поляризуемости молекул и средней молекулярной анизотропии. Теоретические современные основания для расширения возможностей применения оптических методов следуют из ряда последних работ, например, [41], в которой анализируются особенности формирования наклонной детонационной волны при обтекании плоского клина сверхзвуковым потоком водородно-кислородной смеси. Авторами показано, что предварительное возбуждение молекулярных колебаний водорода, и гидродинамические параметры процесса: характерные размеры зоны индукции и расстояния, на которых происходит образование детонационной волны, тесно связаны друг с другом. Авторами установлено, что эти эффекты проявляются при возбуждении молекул водорода в узкой приосевой зоне потока и обусловлены интенсификацией цепных реакций в водородно-воздушной смеси вследствие присутствия в потоке колебательно-возбужденных молекул водорода.
Авторы работы [42] разработали методику измерения температуры пламени, основанную на спектрографическом анализе спектров, излучаемых ионами азота. Это позволило им с большой точностью измерить температуру в темной зоне, образующейся при горении твердого ракетного топлива. В оптических методах визуализации и измерений, основанных на интенсивности излучения, единственным методом прямого измерения интенсивности излучения в видимом диапазоне является фотометрический. В настоящее время он является недостаточно развитым и востребованным. Известны лишь отдельные работы, выполненные более 30 лет назад, например [43], в которых методы фотометрии использовали в связи с измерением линейных размеров тел. В основе метода оптической пирометрии лежит принцип сравнения яркости изображений изучаемого и эталонного объектов. В современных цифровых пирометрах осуществляется преобразование потока инфракрасного или видимого излучения от объекта, принимаемого чувствительным элементом, в электрический сигнал, пропорциональный спектральной мощно- сти потока излучения. Считывание данных с ПЗС-матрицы пирометра позволяет микропроцессору строить тепловое изображение исследуемого объекта. В работе [44] отмечается, что широко применяемые для определения температуры поверхностей излучающих тел методы оптической пирометрии в области инфракрасного излучения имеют ряд существенных недостатков. К ним авторы работы [44] в первую очередь относят ограниченный диапазон измеряемых температур. Действительно, для инфракрасных пирометров (РЖ-пирометры) интервал измеряемых температур составляет 400-600 С. Для многих задач диагностики процессов горения этого недостаточно. Кроме того, точность измерения температуры зависит от правильности определения излучательной способности изучаемого объекта. В связи с этим для повышения точности измерений требуется постоянно проводить калибровку пирометра. Этим же недостатком обладают и пирометры, работающие в области видимого света. Специфика измерений температуры в пламени осложняется необходимостью обеспечения высокой пространственной разрешающей способности измерений. Разработанные в настоящее время пирометры не обеспечивают этого требования, поскольку эталонные излучатели, встроенные в пирометр, (нить накаливания, лазер и др.) дают изображение на исследуемом объекте, по размерам превосходящее ширину михельсоновской тепловой зоны в 10 и более раз. В работе [45] предложена методика исследования динамики горения и уноса массы малолетучих частиц топлив, основанная на синхронном измерении «термометрической» и пирометрической (цветовой) температур.
Метод муарового аналога интерференции для измерения глубины выгорания поверхности теплообмена
При исследовании процессов теплообмена потока с поверхностью обтекаемого тела часто приходится иметь дело с выгоранием или плавлением части поверхности. Знание топологии рельефа поверхности, устанавливающегося в результате горения и теплообмена, позволяет рассчитать распределения температур на поверхности теплообмена, коэффициенты теплоотдачи и выявить управляющие физические механизмы. Измерение глубины впадин на поверхностях тел представляет собой сложную задачу, если размеры впадины во много раз превосходят её глубину. В данной работе предложен способ, предназначенный для обнаружения и измерения глубины небольших впадин на поверхностях твердых тел. Углубления на поверхности тел представляют собой отражающую свет поверхность, у которой радиус кривизны отличается от радиуса кривизны соседних участков поверхности. Световые лучи, отражаясь от поверхности углубления, претерпевают угловое отклонение ь, равное h = h , где rt и г2 — радиусы кривизны соседних участков поверхности, // - угол падения све- та на соседний участок поверхности вне углубления с радиусом кривизны г;. Отклонение луча света вызывает смещение изображения точки предмета. Описываемый метод основан на использовании муаровых аналогов интерференционных изображений. Способ применения муаровых изображений для визуализации пламени описан в [78]. Он заключается в получении двух интерференционных изображений: опорного и объектного, которые реализуются при одной и той же настройке интерферометра на систему полос конечной ширины. Каждое из интерференционных изображений представляет собой систему чередующихся светлых и темных полос. Одно из интерференционных изображений получают при отсутствии оптической неоднородности, а затем совмещают с интерференционным изображением самой оптической неоднородности. Сдвигая одно изображение относительно другого, просматривают результирующее изображение на просвет. Можно добиться перестройки положения интерференционных полос на результирующем изображении таким образом, чтобы получить необходимую информацию о направлении изменения сдвига фаз интерферирующих световых волн в данной точке оптической неоднородности. Известно, что интерференционное измерение малых смещений твердых поверхностей, как целого объекта обычно осуществляют с помощью интерферометра Майкельсона.
В случае смещения различных участков поверхности на различное расстояние измерение абсолютных значений локальных перемещений поверхности оказывается затруднительным. В данном методе измерение глубины невидимой невооруженным глазом впадины на поверхности тела осуществляется без применения интерферометра. Указанная цель достигается путем наложения друг на друга двух изображений периодической структуры. Изображение периодической структуры в виде системы параллельных темных и светлых полос, нанесенной на стеклянную плоскую пластину, накладывается на исследуемый участок по- верхности. Тень периодической структуры на искривленной поверхности создает объектное муаровое изображение, искаженное в соответствии с изменением кривизны поверхности. Наблюдение производится со стороны стеклянной пластины в лучах отраженного от поверхности света. Наблюдатель видит муаровый аналог интерференционной картины в области углубления на поверхности тела. На рис.2.6 изображен общий вид предложенного способа визуализации углубления на поверхности тела. Отраженные от искривленной поверхности углубления 1 лучи света 2 отклоняются на различные углы і. Отклонение лучей вызывает смещение изображения тени Ах периодической структуры 3 на поверхности относительно периодической структуры 4, расположенной на прозрачном экране. Наблюдатель видит муаровый аналог интерференционной картины в области углубления. На рис. 2.7 приведена типичная муаровая картина в области углубления на поверхности твердого тела. Чувствительность метода определяется величиной смещения Ах объектного и опорного изображений друг относительно друга и постоянной периодической структуры d (расстоянием между двумя соседними темными или светлыми полосами на изображении периодической структуры). Смещение Ах может вычисляться из приближенного соотношения Ax=i-Ah, где Ah — глубина впадины в месте наблюдения муарового аналога интерференционного изображения. Условия получения максимума или минимума на муаровом аналоге интерференционного изображения такие же, как и в случае интерференции когерентных световых лучей: Ax=k-d или Ax=(2k+l)-d/2. Здесь к - порядок интерференции на муаровом аналоге интерференционной картины. Используя фотографии муаровых изображений, можно перестраивать аналог муаровой интерференционной картины на систему полос конечной или бесконечной ширины. Это позволяет производить расчет глубины впадины в любой исследуемой точке. Для практического выполнения способа накладывают стеклянную плоскую пластину с изображением периодической структуры в виде системы параллельных темных и светлых полос на исследуемый участок поверхности. Постоянную периодической структуры заранее определяют. Порядок интерференции на муаровом аналоге интерференционной картины вычисляют, отсчитывая номер муаровой полосы, начиная от края. Затем по формулам: Ax=k-d или Ax=(2k+l)-d/2 вычисляют локальное значение глубины неровности. В качестве внешнего края углубления на поверхности удобно выбрать «седловину» на муаровой картине, т.е. точку, в которой происходит расщепление муаровой полосы.
Пусть «седловина» муаровой картины является темной полосой. Тогда порядок следующей за ней темной муаровой полосы равен единице, следующей за ней - двум и т.д. Пусть -постоянная периодической структуры, используемой для построения муаровой картины, равна 0,1 мм. Глубина неровности Ах в любой точке поверхности, находящейся, например, на темной муаровой полосе пятого порядка, будет равна Ах=5 -0,1 =0,5 мм. В случае если углубление на поверхности теплообмена создается путем «выжигания» вблизи пламени, можно, пользуясь методикой, описанной в работе [27,61], каждой «интерференционной» полосе поставить в соответствие определенную температуру пламени. По полученному распределению температуры на поверхности теплообмена вычисляется коэффициент теплообмена и определяются области, где теплообмен происходит наиболее интенсивно. 2.2.2 Метод цифровой фотометрии для исследования температурного поля пламени Получение достоверных данных о параметрах течения часто требует одновременного применения различных экспериментальных методов измерения. Широко распространенные интерференционные методы эксперимен- тального исследования структуры нестационарных и неоднородных течений обладают двумя существенными недостатками. Первый из них связан с применением дорогостоящего оборудования. Второй - с трудностью интерпретации полученных изображений, поскольку результирующий сдвиг фаз между интерферирующими световыми волнами обусловлен влиянием множества физических факторов. Современные программные средства обработки цифровых изображений объектов позволяют предложить еще один дополняющий бесконтактный метод исследования прозрачных излучающих потоков -метод цифровой фотометрии. Примерами излучающих прозрачных оптических неоднородностей являются электрические разряды, люминесценция и флюоресценция жидкостей, пламена, образующиеся при горении как газовых и так конденсированных топлив, и др. Современное программное обеспечение позволяет получить распределение амплитуды световых лучей на плоскости ПЗС-матрицы цифровой фотокамеры [79, 80]. Фотография свечения осесимметричного обращенного пламени, полученного при горении стехиометрической пропано-воздушной смеси, представлена на рис. 2.8.
Границы устойчивости опрокинутого обращенного пламени в параллельном потоке
«Опрокидывание» обращенного пламени заключалось в изменении направления скорости вдува газа на 180 градусов, когда вектор скорости горючей смеси на оси горелки совпадает по направлению с вектором ускорения свободного падения. Главная идея по опрокидыванию пламени заключалась в создании наиболее благоприятных условий для создания конвективной неустойчивости струи нагретых продуктов сгорания. Критические условия возникновения свободной конвекции Ra J 700 [12, 26] дополняются условием срыва пограничного слоя, связанным с искривлением профиля скоростей газа в струе [16]. Ожидалось, что эффект самопроизвольного вихреобра-зования в пламени будет достигнут при значительно меньших скоростях, чем в диффузионном пламени под горизонтальной плоской поверхностью [56, 61]. В результате опытов выяснилось, что обращенное опрокинутое пламя в параллельном потоке в открытой атмосфере абсолютно неустойчиво. Оно формируется только в трубе с частично закрытой верхней крышкой. Поскольку верхняя крышка вертикальной трубы была выполнена в виде лепестковой диафрагмы, это позволяло создавать коаксиальный поток воздуха, ста- билизировавший течение в струе. Фотография опрокинутого обращенного пламени, сделанная через прозрачные стенки трубы, представлена на рис. 3.10. В центре изображения - раскаленный стабилизатор. Конус фронта пламени находится сверху. Границы устойчивости пламени снова получали путем обмера геометрических параметров пламени при изменении расхода горючей смеси. На пределе устойчивости зависимости любого из геометрических параметров обращенного опрокинутого пламени от числа Рейнольдса терпели разрыв. Указанные зависимости для различных составов горючих смесей представлены на рис. 3.11-3.14. По сравнению с обращенным (не опрокинутым) пламенем в открытой атмосфере устойчивостью обладают более бедные смеси. Как видно из графиков, наибольшей устойчивостью обладают смеси с недостатком кислорода (богатые смеси). Это объясняется интенсивным кон- вективным и диффузионным перемешиванием компонент в обращенном и опрокинутом пламени. Возможными направлениями в поиске гидродинамических ситуаций, создающих вихревые структуры, являются: использование вихревых дорожек, возникающих при обтекании реагирующим потоком препятствий и использование конвективной неустойчивости, порождающей бенаровские вих- ревые структуры.
Образование вихревых дорожек Кармана ведет к турбули-зации течения и широко используется в настоящее время в технике для форсирования камер сгорания. Получение аналогов бенаровских вихревых ячеек в пламени возможно при малых числах Рейнольдса и требует создания вертикальных градиентов температур, совпадающих по направлению с вектором ускорения свободного падения. Это приводит к необходимости «опрокидывания» пламени, т.е. созданию потока горючего газа в горелке сверху — вниз. Создание в пламени профилей скоростей с двумя и более максимумами позволяет еще более уменьшить критические числа Рейнольдса, при которых происходит самоорганизация вихревых структур. Увеличение интенсивности тепломассопереноса в зоне пламени при вихревом движении потока сопровождается двумя взаимоисключающими эффектами - повышением коэффициента теплоотдачи из зоны пламени к поверхности теплообмена и понижением температуры пламени. Следовательно, возможно путем оптимального выбора граничных условий для системы «пламя - теплообменник» добиться наиболее приемлемого соотношения между скоростью тепловыделения в пламени и скоростью теплоотдачи на поверхности теплообмена. Закономерности самопроизвольного формирования стационарных вихревых структур в «опрокинутом» обращенном пламени исследовали на экспериментальной установке, представленной на рис. 2.5. Круглый или плоский стабилизатор устанавливали горизонтально относительно горелочного устройства на регулируемом расстоянии от среза горелки. Во всех экспериментах безразмерные критерии, описывающие процессы тепломассопереноса, изменяли путем изменения всех определяющих параметров явления: диаметра отверстия вдувания газа (горелки), скорости вдува и концентрации газа. При воспламенении газа, вдуваемого из цилиндрической горелки вертикально вниз, у среза горелки образуется опрокинутый фронт пламени. При увеличении расхода газовой смеси пламя перескакивает на стабилизатор. При горении богатых смесей полного обращения опрокинутого пламени не происходит. Фотография такого пламени приведена на рис. 3.16. Видно, что стабилизатор выполняет лишь роль устройства, на котором происходит догорание смеси с избытком горючей компоненты. Достаточное удаление поперечного стабилизатора от среза горелки приводит к бифуркации фронта пламени. Бифуркация сопровождается «перескоком» конуса пламени со среза горелки на стабилизатор. Обращает на себя внимание спонтанное развитие вихревого течения. Вихреобразование происходит уже при самых малых расходах горючей смеси еще до формирования обращенного пламени.
Типичная фотография «опрокинутого» пламени, образующегося при горении стехиометрической горючей газовой смеси и полностью обращен- ного на плоском стабилизаторе-пластине в камере Хил-Шоу, представлена нарис. 3.17. Фронт пламени представляет собой две плоские поверхности, сходящиеся под некоторым углом на поверхности стабилизатора. Из фотографии следов трассирующих частиц видно, что вокруг опрокинутого пламени происходит образование спонтанных вихревых структур в виде вихревых ячеек треугольной формы. Измерение распределений скоростей в вихревой ячейке показывает, что максимальная скорость газа в вихревой ячейке превышает скорость свободноконвективного подъема продуктов горения и скорость горючей газовой смеси на срезе сопла примерно в два раза и равна их сумме. Обнаружено, что угловая скорость вращения частиц газа в вихревой ячейке не постоянна - ядро вихря вращается быстрее, чем на внешней границе. Расположение вихревых ячеек может быть несимметричным, что связано со смещением стабилизатора относительно оси струи газа при ее флуктуациях. Увеличение скорости потока горючей смеси пропана с воздухом проводит к возникновению вихревой структуры, состоящей из двух и более неустойчивых вихрей, что проиллюстрировано на рис. 3.18. В обращенном пламени до его опрокидывания образование вихревых структур не происходит. Это свидетельствует о ведущей роли тепловой гравитационной конвекции в самоорганизации вихревых структур. Срыв вихрей в пограничном слое стабилизатора не приводит к появлению вихревых структур. Это связано с тем, что используемые характерные поперечные размеры стабилизатора малы и по порядку величины совпадают с тепловой шириной фронта пламени. Следовательно, самоорганизация вихревых структур не связана с образованием рециркуляционных зон, вызванным увеличением характерных размеров стабилизатора [68, 90]. Было установлено, что пределы устойчивого горения опрокинутого обращенного пламени на поперечном стабилизаторе уменьшаются с увеличением расстояния между соплом горелки и стабилизатором. Зависимость чисел Рейнольдса, превышение которых ведет к неустойчивому горению, от безразмерного расстояния стабилизации определенного, как отношение расстояния от сопла горелки z до поперечного стабилизатора к диаметру горелки L, представлена на рис. 3.19. Область устойчивого горения находится ниже графика зависимости.
Механизмы влияния вихреобразования в «опрокинутом» пламени на интенсивность теплообмена
При возвратном или вихревом движении газа в трубе коэффициент теплоотдачи на стенке трубы практически равен коэффициенту теплоотдачи, определенному по уравнению для турбулентного течениягаза [91]. Для оценки безразмерных коэффициентов теплоотдачи при ламинарном и турбулентном (вихревом) течениях воспользуемся формулами [92, 93]: Здесь Nui и Nuv — критерии Нуссельта, соответственно, для ламинарного и турбулентного течений. В дальнейших расчетах с учетом неоднородности теплового потока в вихревом течении примем Рг=0,56 для вихревого течения, считая, что вихрь переносит нагретый объем продуктов горения к стенке камеры сгорания, и Рг—0,72 с учетом, что в ламинарном течении слой продуктов горения, примыкающий к стенке камеры сгорания - холодный. Деля соотношения (4.10) на (4.9), получим увеличение коэффициента теплоотдачи при формировании вихревой структуры. Без учета неоднородности теплового потока (Рг 7) и для условий устойчивого пламени (Re 1000) получим NUv/Nui-8,60. С учетом неоднородности теплового потока Nuv/Nui-7,92. Следовательно, коэффициент теплообмена при числах Рей-нольдса, примерно равных 1000 в случае, если область вихревой структуры занимает всю камеру сгорания, может возрасти в несколько раз. С целью выяснения роли физических процессов вычислим также числа Стантона, Sti и Stv, характеризующие отношение количества теплоты и количества движения, переносимые потоком при ламинарном и вихревом режимах [92, 93]: Подставляя выражения (4.9) и (4.10) в (4.11) и (4.12), для критериев Стантона при ламинарном и вихревом режимах получим: Из полученных оценок видно, что в вихревом движении удельная доля переноса потока импульса примерно на 20% превышает перенос потока теплоты по сравнению с ламинарным течением. Это, по-видимому, означает, что интенсификация теплообмена достигается за счет увеличения локальной скорости неравномерно нагретых продуктов горения вблизи поверхности трубы. Количественной характеристикой экспериментальных зависимостей средней температуры жидкости в калориметре от времени является тангенс угла наклона касательной к зависимостям AT(t), представленным на рис. квазистационарным. Скорость нагрева при этом максимальна. Дальнейший рост температуры замедляется, что связано с уменьшением разности температур между продуктами горения и стенкой камеры сгорания, особенно под влиянием увеличивающейся скорости теплоотдачи с внешней поверхности калориметра в окружающий воздух.
Для опрокинутого обращенного пламени, в котором формируется вихревая структура, скорость нагрева - производная температуры от времени равна: Для не опрокинутого обращенного пламени с ламинарным течением продуктов горения производная температуры от времени равна: Из первого закона термодинамики следует, что тепловой поток на поверхности нагреваемого тела определяется темпом ее нагрева: Из закона теплообмена Ньютона-Рихмана для теплового потока имеем: следовательно ставляя соответствующие индексы в последнем выражении для ламинарного и вихревого течения, получим: что совпадает по порядку величины с оценками критериев Нуссельта, сделанными выше. Результаты расчетов не противоречат широко известным теоретическим положениям о влиянии структуры течения на скорость теплоотдачи и согласуются с результатами работы [94], в которой авторы приходят к выводу о влиянии вихревых структур на появление гистерезиса условий, определяющих не только устойчивость пламени, но и интенсификацию процессов переноса. Главным отличием гидродинамики обычного бунзеновского пламени от обращенного является изменение направления вектора скорости исходной горючей газовой смеси и продуктов горения относительно фронта пламени. Влияние течения на структуру пламени сводится к появлению тепло- и мас-соотвода вдоль фронта. Оно приводит к изменению соотношения между скоростью втекания газа в зону химической реакции и градиентами концентрации и температуры в этой зоне [10]. Для оценки касательного и нормального потоков тепла на фронте пламени найдем отношение нормального и касательного потоков массы. Отношение равно доле теплоты, не попадающей в зону горения и равной к 1(1 t Ut). Здесь к — коэффициент температуропроводности, к/ит и t — характерные время прогрева в высокотемпературной зоне пламени и гидродинамическое время горения, определяемое, как отношение ширины высокотемпературной зоны к нормальной скорости распространения пламени, UT—U- COs($?) - касательная составляющая скорости газа, р— угол между вектором скорости потока и касательной к фронту пламени. Это соотношение известно, как параметр Карловича [10]. Вычисляя критические значения указанных параметров, можно найти условия, при которых пламя теряет ус- тоичивость и гасится вследствие понижения температуры и уменьшения нормальной скорости горения.
Оценку эффекта гидродинамического растяжения фронта пламени производили по результатам расчетов распределений температуры. Градиенты температур в окрестности максимума температуры определяют скорость теплоотдачи с участка поверхности фронта пламени. В связи с этим, параметр Карловица вычисляли, как отношение градиентов температур в направлении нормали и касательной к поверхности фронта пламени в данной точке. Результаты вычислений сопоставляли с условиями на границе области устойчивости обращенного пламени. Обнаружено, что если в любой точке границы устойчивости параметр Карловица больше 12, то фронт пламени срывается со стабилизатора и гасится. С учетом погрешностей измерений и вычислений это означает, что касательные тепловые потоки в обращенном пламе- 100 % « 8% от нормальных тепловых потоков. ни могут составлять — Известно, что понижение температуры прямо пропорционально тепловым потерям из зоны подогрева. При этом понижение температуры на фронте пламени не может превышать характеристический интервал, равный по порядку величины 100 К [11]. Из результатов расчетов температуры, представленных на рис. 2.10 и рис. 3.8, видно, что для обращенного пламени смещение области максимального нагрева приводит к понижению температуры на 5- -8%, что соответствует абсолютным значениям температуры 75 -100 К. Следовательно, гидродинамическое растяжение пламени может явиться причиной критического понижения температуры в зоне горения, разрыва фронта пламени и его гашения. Проведем анализ потерь массы вещества и тепла на фронте пламени, подверженному стретч-эффекту так, как сделано в работе [11]. На фронте пламени вблизи некоторой критической точки, определяемой формой линий тока, можно выделить элемент объема, примыкающего к фронту пламени, толщина которого будет по порядку величины равна ширине диффузионного слоя D/Ur, а высота 10. Здесь D - коэффициент диффузии горючего газа, аит-касательная скорость газа вблизи выделенного объема. Баланс реагирующего вещества в рассматриваемом объеме будет складываться из касательного и нормального потоков массы.
