Содержание к диссертации
Введение
1. Гидродинамика нестационарного горения 12
1.1 Процессы переноса в осциллирующем течении 14
1.2 Структура пламени при вибрационном горении газовых и жидких топлив 31
1.3 Программа исследований 38
2. Методика эксперимента 40
2.1 Экспериментальная установка 41
2.2 Объекты и методика исследования 47
2.2.1 Метод цифровой фотометрии для исследования нестационарного температурного поля пламени при возбуждении акустических колебаний 49
2.2.2 Реализация метода Фурье-анализа для определения ведущих мод возбуждения акустических колебаний 55
2.2.3 Диффузионное обращенное пламя при горении газа 58
2.2.4 Диффузионное поющее пламя при горении жидкого топлива 60
2.2.5 Обращенное поющее пламя при горении заранее перемешанной горючей газовой смеси 63
3. Гидродинамика поющего пламени 66
3.1 Закономерности возбуждения поющего пламени при горении жидкого топлива 67
3.1.1 Возбуждение низкочастотных колебаний открытого пламени 68
3.1.2 Закономерности возбуждения поющего пламени, образованного при горении жидкого топлива 71
3.1.3 Структура поющего пламени при горении жидкого топлива 79
3.2 Возбуждение обращенного поющего пламени при горении газа 84
3.2.1 Изменение структуры поющего пламени в зависимости от условий его формирования 94
3.2.2 Влияние размеров и расположения стабилизатора на область возбуждения обращенного поющего пламени 96
4. Определяющие механизмы влияния вихревых структур на тепловые автоколебания пламени 103
4.1 Влияние скорости газа и геометрии пламени 103
4.2 Механизмы обратной связи в обращенном пламени и его влияния на границы возбуждения тепловых автоколебаний 106
4.3 Влияние эффекта гидродинамического растяжения фронта пламени 109
4.4 Механизмы влияния самопроизвольного вихреобразования на гистерезис границ возбуждения и интенсивность теплообмена 116
4.5 Технические приложения влияния автоколебаний на процессы горения и теплообмен 121
Заключение 125
- Структура пламени при вибрационном горении газовых и жидких топлив
- Реализация метода Фурье-анализа для определения ведущих мод возбуждения акустических колебаний
- Возбуждение обращенного поющего пламени при горении газа
- Влияние эффекта гидродинамического растяжения фронта пламени
Введение к работе
Актуальность проблемы. Возбуждение акустических колебаний в пламени является одним из факторов, сопровождающих развитие неустойчивости горения, как для газовых, так и для жидких систем. Акустические колебания в пламени являются типичным примером тепловых автоколебаний, возникающих в системе с тепловым источником и резонатором, в котором возможно осуществление обратной связи между колебаниями давления, колебаниями скорости теплоотдачи и периодическим изменением скорости химической реакции. Акустические колебания оказывают различное воздействие на камеру сгорания и на процесс горения в целом. Положительной стороной этого явления может являться увеличение полноты сгорания при уменьшении скорости горения. Следует отметить, что вопрос о влиянии акустических колебаний на экономичность камер сгорания остался вне рамок известных в научной литературе исследований.
Экспериментальные и теоретические работы по акустике пламени, как правило, связаны с исследованиями горения в модельной камере сгорания с формированием «поющего» пламени в вертикальной цилиндрической трубе-резонаторе. Известно большое количество работ по исследованию «поющего» пламени, формирующегося при горении газов. Однако исследований влияния акустических колебаний на скорость химической реакции в пламени до настоящего времени не проводилось. Это связано с тем, что воздействие колебаний перепада давления на срезе горелки для газовых систем сопряжено с изменением скорости подачи газа в камеру сгорания, что затрудняет выявление причин, вызывающих изменение скорости химической реакции и тепловой мощности пламени. Кроме того, подводящий топливный тракт является причиной возбуждения дополнительных гармоник в результирующем колебании, что маскирует определяющие физико-химические явления, сопровождающие развитие акустических колебаний. Влияние колебаний давления на срезе горелки может быть сведено к минимуму или полностью устранено при
формировании обращенного на стабилизаторе «поющего» пламени. Однако ни экспериментальных, ни теоретических исследований обращенного «поющего» пламени до настоящего времени не проводилось.
Изучение обращенного поющего пламени представляет самостоятельный фундаментальный интерес в связи с характерным профилем скоростей, формирующимся вблизи тела обтекания - стабилизатора. Наличие пограничного слоя на твердой поверхности стабилизатора приводит к перегибу профиля скоростей, что является причиной отрыва пограничного слоя и создания вихревых возмущений. Поскольку вихревые структуры являются ключевым звеном обратной связи в гидродинамическом механизме автоколебаний, это может способствовать расширению области неустойчивости пламени в резонаторе и увеличению амплитуды колебаний. Особенностью вихревых структур при автоколебательных режимах горения является их когерентность. Когерентность вихревых структур проявляется в согласованном периодическом изменении размеров отдельных вихревых ячеек и скорости движения газа в них. Развитие когерентных структур объясняет гистерезисные режимы возбуждения поющего пламени, что может быть использовано для эффективного увеличения КПД горелочного устройства. В настоящее время работы, связанные с изучением обращенного поющего пламени отсутствуют.
Вопрос о физическом механизме, реализующем обратную связь между колебаниями давления и тепловой мощности пламени, остается до сих пор открытым. Общепринятым методом изучения механизма поддержания автоколебаний пламени является получение и анализ амплитудно-частотных характеристик. Между тем метод Фурье-анализа колебаний поющего пламени остался невостребованным. Как следствие этого, роль процессов переноса, вих-реобразования, изменения скорости химического превращения и резонансных свойств камеры сгорания до сих пор не понята.
Прикладное значение обращенного поющего пламени обусловлено увеличением интенсивности теплоотдачи в стенки камеры сгорания. Оно связано
с увеличением скорости вращения газа в вихревых структурах при увеличении амплитуды колебаний в камере сгорания - резонаторе. Стационарные и когерентные вихревые структуры порождают специфический механизм теп-ло-массопереноса. Он заключается во взаимодействии отдельных вихревых ячеек, передающих по цепочке кинетическую энергию вращательного движения в соседние слои газа. В зависимости от типа развивающейся вихревой структуры размеры вихревых ячеек изменяются от михельсоновской толщины зоны горения до размеров пламени. Глубина проникновения вихревого движения может превышать толщину динамического и температурного пограничного слоев. Этим объясняется существенное влияние вихревой структуры на кинетику химических реакций в пламени и выбор преимущественных направлений теплового потока из зоны пламени в окружающую среду. Сведения о влиянии самопроизвольных вихревых структур на полноту сгорания топлива и интенсивность теплопередачи в камерах сгорания в научной литературе также отсутствуют.
Расширение пределов формирования вихревых структур по числу Рей-нольдса является причиной увеличения коэрцитивной силы гистерезиса, наблюдаемого при возбуждении акустических тепловых автоколебаний. Явление гистерезиса и увеличение скорости вращательного движения газа в условиях резонанса могут быть использованы при разработке эффективных, экономичных горелочных устройств.
При возбуждении акустических колебаний, возникающих при горении жидких систем, проблема изменения скорости подвода топлива в камеру сгорания не возникает вообще. Это позволяет получить количественные данные о влиянии автоколебаний горения на изменение полноты сгорания и тепловой мощности горелочного устройства. Однако сведения о закономерностях формирования «поющего» пламени и горения жидкого топлива в «поющем» пламени в научной литературе в настоящее время также отсутствуют.
Отрицательное влияние автоколебательного, вибрационного горения проявляется в неконтролируемом увеличении амплитуды колебаний и разрушении камеры сгорания. Проблема контроля над развитием неустойчивости горения в промышленных камерах сгорания и реактивных и ракетных двигателях остается актуальной до настоящего времени. Выявление основных физических механизмов, контролирующих развитие неустойчивости горения под влиянием резонанса камеры сгорания, позволяет выработать конкретные технические решения для подавления акустических колебаний.
Цель диссертационной работы состоит в изучении закономерностей возбуждения обращенного поющего пламени и поющего пламени, образуемого при горении жидкого топлива; создании комплексной методики экспериментального исследования температурного поля поющего пламени; экспериментальной проверке выводов ряда теоретических положений, объясняющих физические механизмы, управляющие явлениями вихреобразования и возбуждения акустических колебаний в трубе-резонаторе; нахождении новых, научно-обоснованных технологических решений, использующих влияние акустических колебаний и явление гистерезиса на горение и теплообмен для разработки высокоэкономичных камер сгорания;
Научная новизна. В диссертационной работе впервые: 1. Экспериментально найдены условия возбуждения акустических колебаний в виде интервала значений тепловой мощности пламени, образуемого при горении бензина и горюче-смазочных материалов в вертикальной цилиндрической трубе-резонаторе, в 2 раза большим по сравнению с трубой Рийке. Показано, что возбуждение акустических колебаний сопровождается уменьшением массовой скорости горения как летучих, так и вязких нефтепродуктов и увеличением полноты их сгорания в 2 -^ 3 раза. Взаимодействие нестационарной, когерентной вихревой структуры с фронтом пламени обеспечивает обратную связь между изменением скорости горения и скорости тепло- и мас-сообмена, что приводит к устойчивым автоколебаниям скорости горения.
Экспериментально найдены условия возбуждения обращенного поющего пламени при горении пропановоздушных смесей в трубе-резонаторе и на теле обтекания больших размеров в виде областей, ограниченных зависимостями критериев Пекле и Рейнольдса. Особенностью возбуждения поющего пламени, как при горении жидкого топлива, так и при горении заранее перемешанных горючих газовых систем, является существование гистерезиса зависимости амплитуды колебаний от тепловой мощности пламени. Подтверждена гипотеза о влиянии пограничного слоя, формирующегося на стабилизаторе, на границы возбуждения поющего пламени и величину коэрцитивной силы гистерезисной зависимости. Обращение поющего пламени является причиной увеличения коэрцитивной силы в 1,2 -^ 1,4 раза.
Предложен метод цифровой фотометрии для исследования температурного поля поющего пламени при его визуализации через прозрачные стенки цилиндрической трубы. Установлено влияние периодических колебаний столба продуктов горения и воздуха в трубе-резонаторе на распределение температуры. Максимальное значение продуктов горения изменяется на 20 % за период одного колебания.
Обнаружено изменение скорости теплоотдачи из пламени на поверхность трубы-резонатора при переходе от стационарного режима горения к автоколебательному. Установлено, что тепловой поток из зоны пламени к стенкам трубы-резонатора увеличивается на 20-30%.
Изучены условия формирования обращенного диффузионного пламени пропана при горении в трубе-резонаторе. Показано, что вследствие большой высоты диффузионного обращенного пламени возбуждение тепловых автоколебаний возможно лишь при увеличении длины трубы-резонатора на порядок по сравнению с высотой диффузионного обращенного пламени.
Предложены физические механизмы возбуждения поющего пламени для изученных гидродинамических ситуаций. Показано, что возбуждение автоколебаний происходит под влиянием характерного профиля скорости газа с
перегибом, формирующимся вблизи фронта пламени, и связано с периодическим отрывом пограничного слоя на стабилизаторе. Это является причиной расширения интервала возбуждения автоколебаний пламени при изменении тепловой мощности.
7. Предложено новое технологическое решение, реализующее способ утилизации отходов горюче-смазочных материалов в резонаторной печи при формировании поющего пламени.
На защиту выносятся:
1. Комплексная методика экспериментального исследования нестацио
нарного пламени, позволившая визуализировать поля скоростей, произвести
измерения полей температур, измерить величину тепловых потоков из зоны
горения на поверхность теплообмена, установить физические процессы, при
водящие к возбуждению акустических колебаний и включающая в себя авто
матизированный сбор данных для одновременного снятия показаний прибо
ров и датчиков и их математической обработки с помощью пакетов стандарт
ных программ.
Экспериментальные результаты, подтверждающие: а) гипотезу о влиянии профиля скорости газа на границы возбуждения поющего пламени; б) влияние вихревого и колебательного движения газа в камере сгорания на скорость горения и полноту сгорания газового и жидкого топлива при автоколебательном горении в трубе-резонаторе с акустической обратной связью; д) экспериментальные результаты, согласно которым, автоколебания пламени сопровождаются изменением скорости, полноты сгорания топлива и интенсивности теплопередачи на поверхность теплообмена.
Экспериментальное обоснование механизма появления возмущений скорости и температуры газа в обращенном пламени, формирующимся на стабилизаторах, расположенных вдоль или поперек относительно оси струи газа.
Экспериментальное и теоретическое обоснование предлагаемого физического механизма поддержания автоколебаний пламени, согласно которому:
1) при горении жидкого летучего топлива колебания давления приводят к периодическому изменению диаметра пламени, что приводит к изменению температуры и скорости подъема продуктов горения и, соответственно, интенсивности процессов переноса; 2) при горении газов в обращенном пламени колебания давления являются причиной изменения угла раскрытия обращенного пламени и изменения скорости гидродинамического растяжения фронта пламени, приводящего к изменению местоположения и величины максимального значения температуры. Результирующее переменное тепловыделение приводит к согласованным по фазе колебаниям давления; 3) при горении газов в бунзеновском пламени колебания расхода газа определяют согласованные по фазе колебания давления и скорости тепловыделения.
5. Техническое решение, позволяющее использовать эффект поющего пламени для повышения КПД горелочного устройства.
Практическая ценность и внедрение результатов диссертационной работы заключаются в следующем:
Обнаруженные закономерности возбуждения автоколебаний в обращенном пламени дополняют представления о возможных различных физических механизмах обратной связи между колебаниями давления и скорости горения при малых числах Рейнольдса, влиянии акустических колебаний в камере сгорания на неустойчивость горения, скорость и полноту сгорания топлива и величину теплового потока из зоны горения. Обнаруженные закономерности возбуждения поющего пламени могут быть использованы для оценки режимов устойчивого горения в камерах сгорания топок и двигателей, а также для повышения экономичности камер сгорания.
Диссертационная работа выполнялась на кафедре экспериментальной физики Сургутского государственного университета (2005-2008 г.г.). Предложенные физические механизмы образования тепловых автоколебаний применялись в экспериментальных исследованиях неустойчивого горения в камерах сгорания, выполнявшихся по госбюджетной тематике кафедры эксперимен-
тальной физики СурГУ, зарегистрированной во ВНТИЦ за № 0120.0 802766. Выполнение работы поддержано грантами и 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 13-ой. Международной конференции по звуку и вибрациям (Вена, Австрия, 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.), 21-ом. Международном Коллоквиуме по динамике взрыва и реагирующих систем (Пуатье-Футуроскоп, Франция, 2007 г.), 8, 9-ой. научной конференции «Наука и инновации 21 века» (Сургут 2007, 2008 г.г.).
Количество основных работ по диссертации - 9.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 97 наименований. Общий объём составляет 136 страниц, включая 44 рисунка.
Структура пламени при вибрационном горении газовых и жидких топлив
В настоящее время изучение пространственной химической и тепловой структуры пламени при горении заранее перемешанных горючих газовых систем представляют интерес для понимания детальных кинетических механизмов горения и повышения эффективности камер сгорания [64]. Примерами последних работ в этом направлении являются экспериментальные и численные исследования структуры пламени. Значительный интерес проявляется к численным и экспериментальным исследованиям неустойчивости горения и гашения обращенного пламени. Измеряемыми параметрами в большинстве исследований являются высота пламени, частота его колебаний, изменения температуры и концентрации в зоне горения. В работе [65] описаны примеры стабилизации обращенного пламени в спутном потоке на препятствиях, расположенных поперек линий тока в течении газа. Однако представляет особый интерес получение обращенного пламени на тонком длинном стабилизаторе, расположенном вдоль линий тока, то есть в попутном потоке. Во всех предыдущих работах стабилизация обращенного пламени в потоке, параллельном оси струи газа, не рассматривалась. Размеры тела-стабилизатора и его влияние на процессы тепло-массообмена в обращенном пламени при этом не учитывались. Изменение расхода горючего газа при положении стабилизатора параллельно линиям тока позволяет управлять устойчивостью горения, координатой вершины конуса обращенного пламени, высотой, формой и углом раскры- тия конуса, а также полем скоростей, температур и концентраций в широком диапазоне. В работе [42] авторы экспериментально и численным методом обнаружили влияние «стретч-эффекта» на обращенное пламя, стабилизированное на коаксиальной горелке. Оно проявилось в изменении максимальной температуры и скорости горения. Влияние «стретч-эффекта» на устойчивость обращенного пламени авторы связывают с изменением кривизны при вершине конуса пламени. Прямых измерений профилей температуры вдоль поверхности фронта пламени сделано не было. Авторами показано, что силы тяжести приводят к усложнению гидродинамической и тепловой структуры обращенного пламени во всем диапазоне концентрационных пределов. Авторы также обнаружили, что обращенное пламя на коаксиальной горелке менее чувствительно как к «стретч-эффекту», так и к изменению величины вектора ускорения свободного падения.
Неустойчивость и структуру пламени, обращенного на теле обтекания конечной величины и возникновение колебаний, исследуются в работе [66]. Экспериментальная работа посвящена определению оптимальных концентраций газовой смеси с избытком окислителя в условиях, когда коническое пламя формируется при обдуве тела со скоростью от 5 до 16 м/с при наличии пространственных градиентов концентрации и модуляции колебаний скорости. Тело обтекания представляло собой плоский диск, устанавливаемый над соплом горелки. Пропано-воздушная смесь подавалась таким образом, что можно было менять радиальное распределение концентраций горючего и окислителя. Радиальные распределения концентраций определяли методом рэлеев-ского рассеяния света. Вынужденные колебания скорости происходили с амплитудой, составляющей 9% от средней скорости потока и с частотой 350 Гц. Химический состав продуктов горения и, в частности, концентрация радикалов группы СН определяли по светимости пламени, регистрируемой фотоумножителем. Был обнаружен эффект изменения угла конуса пламени при изменении концентрации газовой горючей смеси. Показано, что обогащение смеси топливом во внешнем течении не оказывает никакого влияния на структуру обращенного пламени в широком диапазоне скоростей и частот возбуждения колебаний. В работе [67] изучали влияние периодических колебаний скорости потока на скорость тепловыделения в обращенном пламени в спутном потоке. Ими было показано, что связь между колебаниями скорости потока и скорости тепловыделения существует при небольшой частоте колебаний, которая соответствует значениям чисел Струхаля, примерно равным 4. Это обстоятельство говорит о гидродинамической природе неустойчивости обращенного пламени и возможности эффективного управления устойчивостью горения посредством изменения расхода газа и геометрических размеров горелки и камеры сгорания. Изучено распределение скорости тепловыделения в неустойчивом, осциллирующем пламени. Отмечается нелинейная связь между скоростью локального тепловыделения в пламени и частотой колебаний, определяемой различными модами колебаний. Авторы работ [68-74] сосредоточили свое внимание на развитии стретч-эффекта в обращенном пламени. В упомянутых работах влияние «стретч-эффекта» на тепловую структуру пламени не является очевидным. Гидродинамическое растяжение фронта пламени связано с тем, что в потоке газа имеется тангенциальная составляющая скорости относительно поверхности фронта. Очевидно, что это должно привести и к появлению градиентов температур и, соответственно, тангенциальных тепловых потоков вдоль фронта пламени. В пламени Бунзена тангенциальные потоки направлены к вершине конуса пламени, а в обращенном пламени они направлены к основанию конуса. Локальный максимум температуры в обращенном пламени, очевидно, должен сместиться из вершины конуса в область основания. Флуктуации расположения максимума температуры изменяют условия тепломассопереноса и устой- чивого горения в обращенном пламени. Пограничный слой вблизи струны и смещение максимума температуры вызывают также изменение профиля скорости в конвективном течении продуктов сгорания.
Особенностью течения газа в обращенном пламени является искривление профиля скорости. Шлих- ( dv(y)\ тинг [12] отмечал, что условие —— =0 является причиной вихреобразова- V "У ) ния в пограничном слое. Здесь v(y) определяет профиль скорости, а у — поперечную координату в потоке. В отличие от теплодиффузионной неустойчивости «стретч-эффект» проявляется для пламени при горении, как богатых, так и бедных горючих газовых смесей при числах Le 1 и Le 1. Влияние «стретч-эффекта» на тепловую структуру пламени неоднозначно из-за перегиба в профиле скорости. Авторами работ [68, 69] предложено оценивать влияние «стретч-эффекта», как отношение нормального и касательного к поверхности фронта пламени тепловых потоков. Стретч-эффект в обращенном пламени может проявляться в первую очередь в виде смещений максимумов температур и концентраций в зоне горения, что отражается на устойчивости горения и эволюции возмущений температуры и концентрации вплоть до развития вибрационного горения. Работа [70] посвящена экспериментальному исследованию влияния кривизны фронта пламени на условия его гашения. Автором отмечается, что изменение кривизны фронта является одной из причин появления стретч-эффекта. Обращение пламени приводит к изменению его химической структуры. Отличие обращенного пламени по сравнению с бунзеновским заключается в специфическом поле скоростей, величине максимальной температуры и ее локального положения относительно фронта пламени. Автором работы [71] спектроскопическим методом исследованы продукты горения в обращенном диффузионном этилено-воздушном пламени для определения химической структуры образующейся сажи. Показано, что фракции сажи становятся более ароматическими и менее алифатическими по мере увеличения координаты в пламени, отсчитываемой от устья горелки. Результаты спектроскопического исследования согласуются с инфракрасными измерениями. Дальнейшее развитие исследования автора получили в работе [72] методом среднего числа параметров изучено влияние добавок этанола на химическую структуру сажеобразующего материала в обращенном пламени этилена. Результаты показали, что влияние на ароматические компоненты оказалось выше примерно на 40% по среднему числу ароматических колец по сравнению с чистым пламенем. Этот результат позволил объяснить низкое процент-ное содержание хлороформообразующего материала в образцах сажи, полученных в пламенах с добавками этанола. Содержание алифатических компонентов, напротив, не изменилось. Это означает, что возбуждение тепловых автоколебаний в обращенном пламени также может привести к изменению химического состава продуктов горения, что может быть использовано в целях улучшения экологических характеристик горелочного устройства.
Реализация метода Фурье-анализа для определения ведущих мод возбуждения акустических колебаний
Для определения ведущих мод акустических колебаний использовали метод Фурье-анализа. Возникающие в трубе-резонаторе акустические колебания для любого из исследованных объектов носили сложный характер. Типичным примером несинусоидальных колебаний могут являться колебания, создаваемые поющим бунзеновским пламенем, осциллограмма которых представлена на рис. 5. Известно [82], что если любая периодическая функция с периодом Т в интервале времени от t до t + Т имеет конечное число максимумов и минимумов, а в точках разрыва удовлетворяет условию Дирихле: То она может быть представлена в виде ряда Фурье: где Ao, Bm, Cm - коэффициенты ряда, которые вычисляют по формулам: Выражение (3) показывает, что сложный колебательный процесс можно представить в виде дискретного спектра, состоящего из гармоник определенной частоты. Таким образом, ряд Фурье позволяет получить график любого сложного гармонического колебания в координатах зависимости амплитуды от частоты т-го колебания. Персональный компьютер, использовавшийся для автоматизации измерений и обработки данных, обрабатывал массивы цифровых данных с помощью программного комплекса GnuOctave, используемого для графического представления полученных результатов. Принципиальная схема подключения микрофона для регистрации и анализа акустических колебаний представлена на рис. 6. Сигнал с микрофона Shure KSM109 (или любого другого датчика, например, фотодиода), расположенного снизу у основания трубы-резонатора, подавался на микшерный пульт XENYX 802 для усиления, после чего поступал на модуль АЦП TiePie5008, используемый для обработки цифрового сигнала. Затем он выводился на экран монитора. Поскольку акустические ко-, лебания, возбуждаемые в трубе-резонаторе, являются низкочастотными, для анализа выбирали диапазон частот от 0 до 1200 Гц. На протяжении всей серии опытов настройки микшерного пульта не менялись. Полученные результаты Фурье анализа проверяли путем тестовых испытаний, на соответствие графически отображаемых мод и возбуждаемых колебаний, калиброванных по частоте и амплитуде. В качестве калибровочного источника акустических колебаний применяли звуковой генератор.
Погрешность в определении основных частот составляла менее 0,5 %. Погрешность в определении амплитуды колебания ведущей моды составляла менее 2% и для физического анализа получаемых результатов не имела принципиального значения. Shure KSM109 инструментальный микрофон конденсаторного типа с кардионной направленностью, динамический диапазон - 133 Дб, максимальное акустическое давление - 150 Дб, частотный диапазон 20-20000 Гц, отношение сигнал/шум - 75 Дб, собственный шум - 19 Дб, чувствительность - 41 ДбВ/Па. Для тарировки сигнала снимаемого с микрофона, использовали шумо-мер SVAN 947, 1-го класса точности, позволяющий проводить измерения шума и вибрации в реальном масштабе времени в частотном диапазоне от 1Гц до 20 кГц. Доступны все необходимые корректирующие фильтры для измерения вибрации, соответствующие как требованиям российских санитарных норм СН 2.2.4/2.1.8.566-96 и ГОСТ 12.1.012-90, так и требованиям новой редакции ISO 2631-1. Современный цифровой сигнальный процессор прибора осуществляет 1/1 или 1/3 октавный анализ, с одновременной статистической обработкой сигнала и записью его временной истории в буфер памяти. Результаты измерений могут быть просмотрены, обработаны и сохранены на компьютере с помощью программы обработки данных SVANPC и стандартных интерфейсов RS-232 и USB. Интерфейс USB дает возможность просматривать на мониторе компьютера результаты непосредственно в момент их измерений. 2.2.3 Диффузионное обращенное пламя при горении газа Обращенное («недовентилируемое») диффузионное пламя образуется при горении чистого газа в условиях ограниченного пространства, когда стенки камеры сгорания отделяют струю горючего газа от окружающей окислительной атмосферы [65, 83, 84]. В условиях трубы-резонатора обращенное диффузионное пламя можно получить, изменяя относительные диаметры трубы-резонатора и газовой горелки. На основании закономерностей получения недовентилируемого и перевентилируемого пламени можно утверждать, что скорость горения в диффузионном пламени регулируется большей частью скоростью конвективного и диффузионного перемешивания, а не скоростью химических реакций. С этим связан главный интерес к обращенному диффузионному пламени. Возбуждение автоколебаний в обращенном диффузионном пламени позволит из цепочки обратной связи удалить звено, связанное с характерным временем химической реакции. Необходимые соотношения между диаметрами горелки и трубы резонатора могут быть найдены из формулы для высоты диффузионного пламени, помещенного в трубу. Известно [84], что она имеет вид h = V/ 2ifD, где V - объемный расход горючего газа, D — коэффициент диффузии. С учетом того, что объемный расход окислителя ограничивается площадью кольцевого зазора между трубой-резонатором и горелкой выражение для высоты диффузионного пламени можно получить в виде: Здесь ho - высота диффузионного пламени в условиях достаточно большого поперечного кольцевого сечения, образованного коаксиально расположенными трубами, R — внутренний радиус трубы-резонатора, г - внеш-ний радиус горелки. Как видно из выражения (4), при {R —г ) - О h неограниченно возрастает. На практике это выражается в переворачивании конуса пламени вниз вершиной. При этом основание конуса касается стенок трубы-резонатора. Такая форма обеспечивает характерное преломление линий тока на поверхности диффузионного факела и приводит к вихреобразованию при значительно меньших скоростях газа.
Область возбуждения «поющего» пламени в координатах чисел Рейнольдса и Рэлея должна существенно расшириться. Ограничения, накладываемые на возможность исследования этого объекта, связаны со значительным увеличением высоты конуса, которая должна быть много меньше длины трубы-резонатора. В противном случае не будет выполняться основной критерий Рэлея поддержания тепловых автоколебаний, так как тепловой источник перестает быть «точечным» и распределен по длине резонатора. Другая трудность связана с тем, что при уменьшении поперечного сечения кольцевого зазора труба-резонатор становится акустически закрытой в месте нахождения среза горелки. Спектр колебаний, включая, в первую очередь, основную моду, существенно изменяется. Наиболь- ший интерес обращенное диффузионное пламя представляет с точки зрения технических приложений. 2.2.4 Дртффузионное поющее пламя при горении жидкого топлива Акустические колебания, сопровождающие вибрационное горение газов и жидких систем в камерах сгорания, обусловлены обратной связью между колебаниями давления и скорости горения. Однако даже для простой модельной камеры сгорания - «поющего» пламени в открытой прямой трубе-резонаторе единства в объяснении механизмов контролирующих физических явлений до сих пор нет. Предложенная в работе [45] схема цепи с обратной связью между колебаниями скорости горения дип и давления ф в окружающей среде: ...5ип —» ф —» Sv — Sq — 8ип... предполагает изменение скорости расхода горючей газовой смеси Sv на срезе горелки и связанное с этим изменение скорости теплового потока Sq из зоны пламени в окружающую среду. В научной литературе, в основном, известны экспериментальные результаты, полученные на «поющем» пламени при горении газов. В связи с этим роль звена ...Sv — Sq... традиционно связывают с изменением расхода горючей газовой смеси, площади поверхности пламени и скорости химической реакции в зоне горения. В последние годы одним из обсуждаемых в научной литературе физических механизмов, реализующих обратную связь между колебаниями давления и скорости горения, является влияние вихревых структур, управляющих скоростью конвективного тепло-массообмена между пламенем и окислительной средой в камере сгорания [26-32]. Так, авторы работ [26-28] методами голографической интерферометрии визуализировали вихревые структуры вблизи газового пламени вниз по потоку. В работах [29-32] приведены экспериментальные результаты, доказывающие, по мнению автора, определяющую роль вихревых структур, формирующихся вблизи пламени, в механизме поддержания тепловых автоколебаний.
Возбуждение обращенного поющего пламени при горении газа
На первом этапе исследования была сделана попытка возбудить акустические колебания диффузионного пламени пропана. Значительные трудности возникли при получении обращенного диффузионного пламени. Этого удалось добиться только при определенном соотношении диаметров горелки, трубы-резонатора и объемного расхода пропана. На рис. 18 а и б представлены фотографии свечения диффузионного пламени пропана до и после его обращения. Рис. 19 а и б иллюстрирует фотометрические изображения диффузионного пламени пропана до и после его обращения. Видно, что при обращении перевернутый конус пламени занимает все поперечное сечение трубы-резонатора. Характерные изменения претерпевает структура обращенного диффузионного пламени. Из фотометрического изображения на рис. 19 6 видно, что вблизи стенок трубы-резонатора появляются локальные изменения температуры пламени, что должно привести к расширению области возбуждения пламени. Однако в условиях проведенных экспериментов получить поющее обращенное диффузионное пламя при горении газа не удалось. Наложение вынуждающих колебаний на основной гармонике трубы-резонатора приводило лишь к волнообразованию на границе пламени с воздухом. Очевидно, что это связано с большой величиной высоты обращенного пламени, превышающей характерные диаметры трубы-резонатора. Анализ механизма возбуждения колебаний в диффузионном газовом пламени обсуждается в главе 4. Формирование обращенного пламени при горении заранее перемешанной горючей пропано-воздушной смеси изучали в широком интервале скоростей газа, диаметров горелки и концентрации пропана в пропано-воздушной смеси. Было обнаружено существование пределов устойчивости обращенного пламени. Неустойчивость проявляется в возбуждении акустических негармонических колебаний. Увеличение амплитуды колебаний приводит к срыву и гашению пламени. 8 При горении смеси с избытком пропана обращенное пламя устойчиво в большем интервале скоростей. Нижний концентрационный предел стабилизации пламени равнялся 4,0% С3Н8, а верхний 6,0% С3Н8. Высота пламени и угол раскрытия перевернутого конуса примерно в 2 раза больше на верхнем пределе воспламенения горючей смеси, чем на нижнем. Координата вершины конуса пламени на стабилизаторе также больше примерно в 2 раза на верхнем концентрационном пределе. Это можно объяснить диффузией и конвективным переносом кислорода из окружающего воздуха в струю перемешанной горючей смеси.
Типичная фотография свечения устойчивого обращенного пламени в потоке газа, параллельном стабилизатору, показана на рис. 20, а фотометрическое изображение обращенного пламени представлено нарис. 21. Изолинии интегральной светимости пламени на рис. 21 показывают, что область наибольшей светимости обращенного пламени в отличие от пламени горелки Бунзена смещается от вершины конуса к его основанию. Осевая симметрия обращенного пламени позволила рассчитать распределение температуры на фронте пламени и в продуктах горения. Были проделаны опыты на горелках различного диаметра при изменении концентрации пропана в заранее перемешанной горючей газовой смеси. На рис. 22 представлены зависимости безразмерной длины пламени в зависимости от числа Пекле. Безразмерную длину пламени вычисляли, как отношение текущего значения длины пламени к ее максимальной величине в момент потери устойчивости пламени при горении смеси «6% СзН8+воздух». Наибольшее значение числа Пекле Ре = 33 на графике является критическим. При Ре 33 возбуждаются акустические колебания. Затем амплитуда колебаний резко возрастает, а поверхность фронта пламени отрывается от стабилизатора, распадается на части и гасится. Область существования устойчивого обращенного пламени в попутном потоке в координатах безразмерной высоты пламени и диффузионного числа Пекле представлена на рис. 23. Границы зависимостей безразмерной длины и высоты пламени от числа Пекле определяют область устойчивости обращенного пламени. Границы устойчивости значительно расширялись, когда обращенное пламя помещали внутрь трубы, диаметр которой сравним с диаметром конуса пламени. Обращенное пламя становилось неустойчивым даже при малых скоростях газа при его опрокидывании. Опрокинутое обращенное пламя исследовали путем переворачивания экспериментальной установки относительно вектора силы тяжести. На рис. 24 представлена типичная фотография свечения пламени в момент потери устойчивости. Из фотографии видно, что колебания представляют собой периодические поступательные движения фронта пламени вверх или вниз вдоль стабилизатора. К моменту срыва и гашения пламени амплитуда колебаний превышает диаметр конуса пламени в 2-3 раза. Частота колебаний изменялась хаотически в интервале значений от 10 Гц до 1100 Гц. Осциллограммы негармонических колебаний пламени приведены на рис. 25. На оси ординат приведены значения амплитуды напряжения, снимаемого с микрофона.
Гашение пламени происходит как при горении богатых, так и бедных смесей. Решающим фактором погасания пламени является отношение амплитуды к периоду колебаний пламени. В случае, если оно превышает нормальную скорость распространения пламени происходит его погасание. Фурье-анализ, проведенный для полученных осциллограмм, позволил выделить ведущие моды колебаний. На рис. 26 представлены результаты Фурье-анализа. Ярко выражены две ведущие моды колебаний с частотами 100 и 1000 Гц и две второстепенные моды с частотами 400 и 500 Гц. Низкочастотная ведущая мода может быть связана с гидродинамическим растяжением фронта пламени. Действительно, определяя характерное время растяжения и разрыва фронта пламени ts как отношение длины пламени Lf к касательной скорости газа vT, получим: ts - =1-10 "с Частота обратно пропорциональна этому времени и равна fs =100 Гц. Высокочастотная ведущая мода обусловлена, очевидно, собственной частотой трубы, внутри которой происходило горение. Собственная частота равна отношению скорости звука с к удвоенной длине трубы Lt. Принимая во внимание, что при средней температуре продуктов горения в трубе, равной 480 К, скорость звука примерно равна м/с, получим: // = —— = JA г__,— = luuui ц . Две другие моды колебании с частотами/, и fh определяются характерным временем химической реакции tc и характерным гидродинамическим временем t;,. Частоту можно оценить из соотношения: JC=—T= 6—— = 4UU1 у, где о{ - ширина теплового слоя фронта пламени. Оценим характерное гидродинамическое время, как отношение ширины теплового слоя фронта пламени к нормальной скорости распространения: jh-—-= 3— = 5001 у. Данные оценки характерных частот согласуются с полученными экспериментальными результатами. Влияние обращения пламени на поперечном стабилизаторе в трубе-резонаторе исследовали путем сравнительного анализа спектрограмм колебаний обращенного и бунзеиовского пламени. Спектры гармонических колебаний для обоих случаев показаны на рис. 27-28. В качестве «эталонной» спектрограммы на рис. 29 приведена спектрограмма «поющего» диффузионного пламени пропана. Следует отметить, что при обращении амплитуда колебаний поющего пламени увеличивается в несколько раз. Амплитуда возрастает настолько, что пламя срывается и погасает. Характерно, что основные гармоники колебаний сохраняются (90 Гц и 175 Гц). Все основные процессы, связанные с теплопереносом в вихревых структурах, по-видимому, происходят с частотами основных гармоник трубы-резонатора. Поэтому происходит их слияние. По-прежнему, низкочастотная ведущая гармоника (175 Гц) связана с гидродинамическим растяжением фронта пламени, а гармоника, характеризуемая частотой 90 Гц, является основной гармоникой трубы-резонатора. Дополнительные гармоники колебаний с незначительной амплитудой, очевидно связаны с вихреобразованием, связанным с временем формирования и отрыва пограничного слоя t5 5-r0/U 0-3-5-10"3c[12].
Влияние эффекта гидродинамического растяжения фронта пламени
Влияние эффекта гидродинамического растяжения фронта пламени Проведем анализ потерь тепла на фронте пламени, подверженному «стретч-эффекту». На фронте пламени можно выделить элемент объема, тол щина которого будет по порядку величины равна ширине теплового слоя к/\\ , а высота 10. Здесь к - коэффициент температуропроводности горючего газа, a vT = v-cosa - касательная составляющая скорости газа вблизи выделенного объе ма, v - средняя скорость газа, a - угол между вектором скорости потока и каса тельной к фронту пламени. Баланс тепла в рассматриваемом объеме будет складываться из нормального и касательного потоков массы. Отношение этих потоков - доля теплоты, не попадающей в зону горения, равная: Здесь t - характерное гидродинамическое время определяемое, как отношение ширины высокотемпературной зоны к нормальной скорости распространения пламени. Соотношение (5) известно, как параметр, введенный Карловичем. Вычисляя критические значения указанных параметров, можно найти условия, при которых пламя теряет устойчивость и гасится вследствие понижения температуры и уменьшения нормальной скорости горения. Оценку «стретч-эффекта» производили по результатам расчетов распределений температуры. Градиенты температур в окрестности максимума температуры на фронте пламени определяют тепловые потоки в нормальном и каса- тельном направлениях относительно участка поверхности фронта пламени. В связи с этим, параметр Карловица вычисляли как отношение градиентов температур в направлении нормали и касательной в данной точке поверхности фронта пламени. Из рис. 30 видно, что отношение градиентов температур равно отношению расстояний между выбранными изолиниями безразмерной температуры. Например, в окрестности точки с координатами х = 3,5 и у =3,5 отношение расстояний между изолиниями 01 = 0,85 и 92 = 0,90 дает значение параметра Карловица примерно равное 5,0. Графики зависимости параметра Карловица от числа Рейнольдса для обращенного пламени, полученного при горении смесей 4,0% С3Н8, 4,5% С3Н8 и 6% С3Н8 с воздухом представлены на рис. 41. В стехиометрическом пламени параметр Карловица линейно зависит от числа Рейнольдса.
В бедном и богатом пламени зависимости - нелинейные. Это связано с сильным совместным влиянием диффузии, теплопроводности и «стретч-эффекта» при Le Ф 1 на структуру фронта пламени. Изменение тепло-отвода из зоны реакции, обусловленное стретч-эффектом, не компенсируется диффузионным потоком из бедной горючей смеси. Потеря устойчивости горения смеси «4,0% С3Н8+ воздух», происходит при числах Рейнольдса, меньших 400. Критическому числу Рейнольдса соответствует параметр Карловица, в пределах погрешности измерений равный 0,3 -4- 0,4. Стабилизация обращенного пламени в попутном потоке невозможна, если концентрации пропана в смеси с воздухом меньше 4%. Увеличение концентрации пропана сверх сте-хиометрической приводит к увеличению критического значения параметра Карловица с увеличением скорости газа. Критические значения параметра Карловица и числа Рейнольдса для богатого пропано-воздушного пламени, соответственно, равны 2,5 и 1300. Число Рейнольдса рассчитывали по соотношению Re = v-d/v, где d - диаметр горелки, v- коэффициент кинематической вязкости, взятый для продуктов горения при температуре 1000 К. Форма поверхности обращенного пламени отражает закономерности процессов конвективного и диффузионного переноса тепла и массы. Высота и длина обращенного пламени неоднозначно зависят от числа Рейнольдса. При изменении скорости горючей смеси обращенное пламя перемещается вдоль стабилизатора. Средняя скорость газа и концентрация горючей компоненты смеси уменьшаются вниз по потоку: Пламя перестает быть обогащенным вследствие диффузии и конвективного перемешивания. Из физических соображений и размерного анализа определяющих параметров задачи следует, что границы устойчивости обращенного пламени определяются зависимостями безразмерной высоты и длины пламени от диффузионного числа Пекле. Диффузионное число Пекле, представляет собой отношение характерного времени диффузии и гидродинамического времени. Его рассчитывали по соотношению PeD = 2D/(R-v), где D — коэффициент самодиффузии молекул пропана, a R - радиус пламени. Радиус пламени выбран в качестве характерного размера потому, что он определяет характерное время диффузии. Среднюю скорость газа в пламени v рассчитывали используя фотографию пламени по соотношению v = vn/cos а, где vn - известная нормальная скорость распространения пламени для данного состава газовой смеси, а - угол между нормалью к поверхности пламени и вектором скорости газа. Кривизна поверхности опрокинутого обращенного пламени вблизи основания конуса сильно увеличивается, а критическое число Рейнольдса уменьшается до 200. Происходит перераспределение температуры на отдельных участках поверхности фронта пламени. Сделаем оценки возможных локальных изменений температуры на элементе фронта пламени, вызванных стретч-эффектом при искривлении поверхности фронта пламени. Параметр Карловича запишем в виде: где 8 - ширина теплового слоя. Угол наклона поверхности а характеризует степень локального искривления фронта пламени. Из михельсоновского распреде- -_ к T ления температуры в плоском фронте пламени следует, что - 1п т , Т и Т0 - температура в зоне горения и в холодной смеси. Следовательно, (4) примет вид: где qn и qT - нормальные и касательные относительно фронта пламени тепловые потоки.
Отношение тепловых потоков определяется нормальной и тангенциальной скоростями: где pucp- плотность и удельная теплоемкость газа при постоянном давлении, S - площадь выбранного участка поверхности фронта пламени. Приравнивая правые части выражений (7) и (8), получим: В выражении (7) показатель степени взят по модулю, поскольку знак tg а зависит от ориентации элемента поверхности фронта пламени относительно вектора скорости газа и определяет характер изменения температуры в рассматриваемой точке. В работе [60] рассмотрен общий случай влияния стретч-эффекта, когда число Льюиса не равно единице Le = 1. Изменение теплоотвода из-за градиента касательной скорости в этом случае не компенсируется изменением плотности диффузионного потока и скорости тепловыделения. Авторы работы [68] показали, что неустойчивость, вызванная стретч-эффектом, может наблюдаться при Le 1 и Le 1. Богатые пламена (Le 1) теряют устойчивость, если параметр Карловица больше 2,0. Для бедных пламен (Le 1) предел устойчивости наступает, если параметр Карловица меньше 0,4. Экспериментальные результаты, представленные на рис. 24, согласуются с теориями, разработанными авторами работ [68, 69]. Уменьшение температуры на отдельных участках поверхности обращенного пламени объясняет его неустойчивость при «опрокидывании». Для оценки характерных частот горения, обусловленных скоростью химической реакции, брали первое число Дамкеллера: Damf = - как отношение характерного «механического» времени tm=l(/vo и «химического» tj для характерной j-ой реакции. Время характерной j-ой реакции t} определяется из молекулярно-кинетического соотношения, определяющего скорость химической реакции W [65]: Здесь Р - стерический коэффициент, определяющий возможность столкновения молекул А и В, концентрация которых равна, соответственно пА и nB, Е — энергия активации, R - универсальная газовая постоянная, Т - абсолютная температура реакции, АВ=-?Г(ГА+ГВ)2 - площадь сечения взаимодействия моле- кул, и — л\ - средняя относительная скорость молекул, К - число Больц- мана, т=тАтв/(тА+тв) - приведенная масса молекул. Величина zA —и8АВпАпве RT , входящая в соотношение (10), определяет число активных столкновений. Определим брутто реакцию горения пропана в виде: СзН8+502=ЗС02+4Н20 Сталкивающиеся молекулы С3Н8 и 02, поэтому 6Ав=3,14 (10"10)2=3 10"20м . Массу m определим из учета того, что известны молярные массы атомов, входящих в состав молекул пропана и кислорода.
