Введение к работе
Актуальность работы.
Проблема описания турбулентных сдвиговых течений, включая явления перемежаемости, стратификации и диффузионного турбулентного горения, относится к фундаментальным вопросам гидродинамики турбулентних в общем химически реагирующих сред. Актуальность дальнейшего изучения таких явлений связана с перспективой повышения качества моделирования неоднородных неизотермических (стратифицированных) и химически реагирующих турбулентных течений с после дущим созданием более эффективных устройств энергетики, транспорта, эвиа- и ракетостроения и др. Решение проблем, связанных с эффектом стратификации, важно и для прогнозирования атмосферных или океанических течений.
Многочисленные исследования'отечественных и зарубежных ученых в этой области только за последние годы нашли отражение в монографиях Абрамовича Г.Н., Гиневского А.С, Коловандина Б.А.,.Лапина Ю.В., Кузнецова В.Р., Монина А.С, Накорякова В.Е., Сабель-никова В.А., Билджера, Борги, Вильямса, Ламли, Лондера и многих других, что существенно продвинуло наше понимание столь сложных явлений как перемежаемость, тепломзссоперенос и химическое реагирование в турбулентных средах.
Недетерминированный характер уравнений Навье-Стокса для развитых турбулентных течений делает практически неразрешимой задачу точного описания их мгновенных характеристик. В этой связи развитие статистической теории применительно к описанию среднестатистических характеристик таких течений в настоящее время представляется наиболее плодотворным. Основательный шаг вперед в этом направлении представляет монография Кузнецова В.Р. и Сабельникова В.А. с применением ФПРВ- функцій плотности распределения вероятностей концентрации пассивной примеси. В настоящее время появилась возможность еще более продвинуться е развитии статистической теории на основе ФПРВ применительно к полю скорости.
Характерной особенностью турбулентных потоков является перемежаемость турбулентно- нетурбулентных областей течения. Вопрос учета этого явления в процессе математического моделирования стоит УЖЄ ДЭЕНО, НО ЛИШЬ В Последнее ВреМЯ ИНТеНСИВНО Изучается ЕЕИ-
ду перспективы значительного уточнения и, что важно, физически более верного описания турбулентных характеристик.
Интенсивное исследование неизотермических турбулентных течений со сдвигом объясняется необходимостью описания гидродинамики
течения в поле архимедовых сил. В особенности это касается так называемых стратифицированных турбулентных течений при их горизонтальной ориентации, когда гидродинамика течения меняется в зависимости от режима стратификации. Преимущественно, однако, проведенные исследования относятся к течениям с линейным поперечным сдвигом скорости- и температуры, что значительно ограничивает общность применяемых подходов и полученных при этом результатов.
диффузионное горение турбулентных штоков наблюдается при. организации смешения и химического реагирования заранее нз перемешанных компонентов горючего и окислителя и реализуется во всевозможных технических устройствах: горелках и топках энергетики с раздельной подачей топлива и "окислителя, диспергаторах и стабилизаторах горения при сжигании угля, камерах сгорания авто-и авиатехники, газоструйных химических реакторах, лазерах и т.п. Широкое использование диффузионного режима скитания горючих газов объясняется возможностью варьирования исходными параметрами скорости., концентрации и температуры смешивающихся потоков.
Классическим примером диффузионного горения турбулентного потока является свободная зона смешения реагирующих веществ, образующаяся в результате гидродинамического (факел смешения) и химического (факел горения) взаимодействия двух спутных заранее не перемешанных штоков горючего и окислителя. На практике такая зона наблюдается в турбулентных факелах струйного типа, устройствах с раздельной подачей горючего и окислителя в камеру сгорания.
Таким образом определяется актуальность дальнейшего развития статистической теории турбулентного факела в условиях перемежаемости, стратификации и диффузионного горения.
Цель работы - развитие статистической теории применительно к турбулентным в общем химически реагирующим течениям с поперечным сдвигом скорости в условиях перемежаемости, стратификации и диффузионного турбулентного горения, и разработка в рамках этих условий аналитических моделей турбулентного факела смешения для спутных потоков разной скорости, температуры и концентрации химически реагирующих веществ на уровне вторых одноточечных моментов.
Для достижения поставленной цели необходимо ' I. Провести исследование: структуры турбулентных изотермических течений с поперечным сдвигом скорости; статистических подходов описания перемежающихся турбулентно-нетурбулентных сред; структуры неизотермических турбулентных течений в поле влияния архимедовых сил при различных режимах стратификации; турбулентного диффу-
зионного горения в случае смешения двух спутных заранее не перемешанных потоков горючего и окислителя;
2. Развить статистическую теорию" применительно к турбулентным
течениям с поперечным сдвигом скорости в условиях перемежаемости,
стратификации и диффузионного турбулентного горения.
3. Разработать аналитическую модель для факела турбулентного сме
шения спутных в общем химически реагирующих потоков на уровне
вторых одноточечных моментов на основе а)хорошо проверенных гипо-
. тез замыкания; б)развиваемого подхода с учетом эффектов перемежаемости, стратификации и диффузионного турбулентного горения.
4. Сопоставить результаты расчетов с известными опытными данными,
включая характеристики тонкой структуры турбулентности.
Научная новизна. Разработаны новые положения статистической теории: турбулентных сдвиговых течений в условиях перемежаемости; неоднородных неизотермических течений в различных режимах стратификации; диффузионного турбулентного горения заранее не перемешанных реагентов горючего и окислителя. Впервые на уровне вторых центральных моментов развиты аналитические модели неоднородных и неизотропных факелов смешения спутных в общем химически реагирующих потоков разной скорости, температуры и концентрации.
Достоверность полученных результатов обеспечивается физически обоснованными положениями статистической теории применительно к описанию турбулентных течений, хорошо проверенными гипотезами замыкания в процессе моделирования, точными решениями уравнений модели турбулентного факела смешения, и обоснованием нового подхода путем сопоставления расчетов условно и безусловно осрэднен-ных характеристик факела с имевшимися опытными данными.
Практическая значимость я рекомендации. Разработанный подход может быть использован'для развития новых моделей турбулентных сдвиговых течений; для исследования эффектов перемежаемости, стратификации и диффузионного; турбулентного горения; для расчета характеристик турбулентного изотермического, неизотермического (стратифицированного) и химически реагирующего факела смешения спутных потоков; "для расчета концентрационных характеристик диффузионного факела горения заранее не перемешанных реагентов горючего и окислителя; для расчета коэффициента перемежаемости. Приложением полученных результатов явились изобретения по диспергированию и стабилизации горения угольной пыли. Результаты работы использовались для проектирования устройств раздельной подачи пылеугольной смеси и воздуха в камеру сгорания котлов тешюэнер-
ГЄТЕКИ.
Апробация работы. Результаты отдельных этапов работы докладывались на 6-ой Всесоюзной мехвузовской конференции по математике и механике (г.Алма-Ата, 1977г). на Всесоюзном семинара по математике и прикладной физике (г.Алма-Ата, 1980г), на Первом Всесоюзном симпозиуме по макроскопической кинетике и химической газодинамике (ОМФХ АН СССР, 1984г.), на секциях ученого совета КазНИИ энергетики (1976-1Э32гг.), на семинарах по теплофизике в КазНИИЗ (рук. член-корр. АН РК Устименко Б.П.), по механике гщд-кости и газа (КазГУ им. АльЧ5арзби, рук. член-корр. АН РК Ершин Ш.А.), обсувдались в ведущих научных центрах по турбулентности (ИТМ ш.!.Лыкова, г.Минск, рук. д.т.н. Колоезщрш Б.А.). по математической физике (ТГУ, г .Томск, рук. д.ф-м.н. Вилшоз В.И.), по теплофизике (в МТФ г. Новосибирска, рук. академик АН СССР Нако-ряков В.Н. и д.ф-м.н. Гольдштик М.А.), по турбулентности и турбулентному горению в ЦАПІ (д.т.н. Гиневский А.С. и д.ф-м.н. Сабельников В.А.), в Щ1АМ (д.т.н. Кузнецов В.Р.) и др.
Публикации. По материалу диссертации имеется 17 опубликован-ных работ, включая монография и три авторских сведетельства на изобретения, основные результаты содержатся в 10 теоретических; работах, удовлетворяющих требования?.; ВАК.
Автор защищает: Новые положения статистической теории турбулентных сдвиговых потоков в условиях перемежаемости, стратификации и диффузионного турбулентного горения с последующим развитизм в рамках зтих условий аналитических моделей турбулентного факела смешения спутных в общем химически реагирующих потоков разной скорости и температура (плотности) на уровне вторых центральних моментов. Основные гголо*дзния при этом представляются обоснованней новых подходов' в описании статистических характеристик I)турбулентных сдвиговых потоков в условиях перемежаемости гидродинамического поля течения 2)страті5фицировашшх турбулентных сдвиговых потоков в различных рехилах стратификации 3) турбулентного диффузионного горения на основе усеченных определенным образом гаус-совских ФПРВ с предварительным детерминированным описанием фронта пламени во взаимосвязи с характеристиками поля концентрации химически инертной примеси.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения и списка цитируемой литературы, содержит иллюстрации, расчетные графики и 300 стр. текста.