Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Улучшение качества объемногосмесеобразования в дизелях - важнейшая проблемадизелестроения 11
1.1. Дизель с объемным смесеобразованием - одна из основ современной энергетики 11
1.2. Обзор и анализ методов улучшения качества объемного смесеобразования 17
1.3. Влияние аэродинамики воздушного заряда на процесс сгорания 24
1.4. Использование газодинамических колебаний для интенсификации процессов смесеобразования и сгорания 29
1.5. Выводы по обзору. Постановка задач настоящего исследования 32
Глава 2. Волновые процессы в ДВС 35
2.1. Анализ частотных характеристик осцилляции воздушного заряда в камерах сгорания 35
2.2. Акустическая оптимизация формы и размеров камеры сгорания 42
2.3. Результаты исследования. Выводы 46
Глава 3. Экспериментальное исследованиевлияния формы камеры сгорания и возмущениясреды на процессы смесеобразования и сгорания 48
3.1. Влияние стенок камеры сгорания на движение струи распыленного топлива 48
3.2. Влияние газодинамических колебаний воздуха надинамику топливной струи 57
3.3. Влияние газодинамических колебаний на процессытепломассообмена и горения единичных закрепленных капельтоплива 59
3.4. Влияние возмущения воздушного заряда в камересгорания дизеля на развитие топливной струи 64
3.5. Основные результаты исследования. Выводы 74
Глава 4. Влияние возмущения воздушной средына процессы тепломассообмена взвешенных капельраспыленного топлива 11
4.1. Изучение динамики движения одиночной капли, 77
4.2. Исследование процессов тепломассообмена единичных капель топлива, взвешенных в возмущенной газовой среде - 89
4.3. Численное исследование влияния возмущения среды на процессы тепломассообмена взвеси капель разных размеров 111
4.4. Основные результаты исследования.
Глава 5. Исследование влияниягазодинамических колебаний в цилиндре дизеля наего рабочий процесс 136
5.1. Анализ источников возбуждения воздушного заряда в процессе смесеобразования и горения распыленного топлива 136
5.2. Влияние осцилляции газа в камере сгорания дизеляна его рабочий процесс 140
5.3. Особенности использования газодинамических колебанийдля совершенствования рабочего процесса судовых ВОД 150
5.4. Результаты исследования.
Глава 6. Внутрикапельная кавитация -эффективный способ сжигания низкока чественных топлив в дизелях . 158
6.1. Актуальность проблемы использования тяжелых и синтетических топлив. 158
6.2. Теоретические предпосылки возможности осуществления процесса кавитации внутри капель углеводородного топлива 164
6.3. Экспериментальное изучение процесса газификации распыленного топлива при наличии мощных пульсаций газовой среды 170
6.4. Камера сгорания с газоструйным генератором газодинамических колебаний 179
6.5. Кавитационный термический генератор для газификации тяжелых топлив. 185
6.6. Результаты исследования. Выводы. 196
Заключение 198
Литература 201
- Влияние аэродинамики воздушного заряда на процесс сгорания
- Акустическая оптимизация формы и размеров камеры сгорания
- Влияние газодинамических колебаний воздуха надинамику топливной струи
- Исследование процессов тепломассообмена единичных капель топлива, взвешенных в возмущенной газовой среде
Введение к работе
Одной из основ существования и развития земной цивилизации является энергетика, которая базируется главным образом на использовании теплоты, получаемой при сжигании различных топлив [39]. Достаточно сказать, что за год на планете сжигается более 4,5 млрд.т. бурых углей и 3,5 млрд.т. нефти [16].
Жидкое углеводородное сырье в основном используется для получения моторных топлив, предназначенных для ДВС, удельный вес которых составляет до 80% от всех тепловых двигателей. По расчетам специалистов разведанных запасов нефти и газа должно хватить на 20-25 лет и поэтому проблема снижения топливопотребления тепловыми машинами весьма актуальна.
Самым экономичным в настоящее время является двигатель внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия - дизель. Эффективный КПД крупных судовых дизелей достиг 55%) и в перспективе возможно создание двигателей с КПД 58 и даже 60% [62]. Однако, для достижения последнего необходимы поиск и апробация новых эффективных методов увеличения экономичности дизелей, среди которых большое значение имеют способы улучшения качества смесеобразования.
Ежегодный прирост парка двигателей внутреннего сгорания и их удельной мощности усиливает их отрицательное воздействие на окружающую среду. Только автомобили и трактора ежегодно выбрасывают в атмосферу свыше 27 млн.т. оксида углерода, 2,5 млн.т. углеводородов и 100-120 тыс. тонн сажи. Причем дизельный автомобиль при одинаковом пробеге и объеме перевозок наносит ущерб природе в 1,7 раз больше, чем бензиновый [161].
Прогнозируемое ухудшение качества нефтяных и альтернативных топлив будет усугублять положение с загрязнением воздуха токсичными компонентами отработавших газов. Таким образом второй важнейшей проблемой двигате-
лестроения является улучшение экологических показателей ДВС.
Ограниченные запасы нефтяных месторождений, возрастающая потребность тепловых двигателей в высококачественных дистиллятных топливах, имеющих относительно высокую стоимость, могут привести к необходимости применения в дизелях тяжелых топлив (моторного, мазутов и др.). Последние отличаются от дизельного горючего повышенной вязкостью, наличием тяжелых, высокомолекулярных составляющих, с повышенным содержанием нежелательных примесей. Следовательно, третьей задачей, стоящей перед специалистами в области рабочих процессов дизелей, является поиск новых, нетрадиционных способов эффективного сжигания низкокачественных сортов топлива.
Одним из направлений дальнейшего развития дизелестроения является повышение удельной мощности двигателей. Это осуществляется за счет увеличения среднего эффективного давления и частоты вращения коленчатого вала, а следовательно, опять-таки связано с дальнейшей интенсификацией процессов смесеобразования и сгорания.
Таким образом решение основных проблем дизелестроения (улучшение экономических и экологических показателей, сжигание тяжелых сортов топлива, повышение удельной мощности) требуют улучшения качества смесеобразования и сгорания.
В соответствии с последним, в работе выполнен поиск и исследование новых, нетрадиционных способов интенсификации процессов смесеобразования и сгорания, основанных на использовании газодинамических колебаний.
Анализ частотных характеристик осцилляции воздушного заряда показал, что в цилиндре дизеля имеет место сложное колебательное движение среды в форме стоячих волн различных гармоник. Показана эффективность и целесообразность акустической оптимизации размеров и формы камеры сгорания в поршне, заключающаяся в сохранении энергии этих волн.
Для экспериментального исследования влияния колебательного движения среды на процессы смесеобразования и сгорания были созданы специальные установки и проведены опытные исследования по изучению особенностей развития топливной струи: в осциллирующей воздушной среде в атмосферных условиях; в стесненных условиях в бомбе высокого давления; в камере сгорания реального дизеля. Кроме этого экспериментально исследованы процессы испарения и горения единичных закрепленных капель топлива в возмущенной среде. В результате установлено, что газодинамические колебания воздушной среды способны существенно интенсифицировать исследуемые процессы.
На основе разработанной математической модели проведены численные исследования влияния параметров возмущения среды на динамику движения и тепломассообмен единичных капель топлива, взвешенных в воздушном потоке, а также конгломерата капель различных размеров. Расчетный метод был подвергнут апробации путем сопоставления расчетных и экспериментальных данных. Показано, что пульсации среды являются мощным средством интенсификации процессов тепломассообмена капель. Теоретически доказана целесообразность увеличения мощности осцилляции воздушного заряда в камерах сгорания.
Для увеличения мощности газодинамических колебаний рабочего тела предложен метод специального профилирования поверхности донышка поршня. Сравнительные испытания двигателей Ч 10,5/12 и Ч 12/16 с серийным и профилированным поршнями показали существенное повышение экономичности дизелей во втором случае.
Теоретически обоснован и экспериментально осуществлен в одиночной капле и топливной струе процесс акустической, паровой, развитой внутрика-пельной кавитации. Испытания специальной камеры сгорания быстроходного дизеля и термического газогенератора подтвердили эффективность применения кавитационного процесса - особенно при использовании тяжелых сортов топ-
лива.
В настоящую работу включены результаты исследований, полученные автором при выполнении под его руководством НИР и ОКР по следующим темам:
1. Проектирование, изготовление и внедрение реактора для переработки жид
кого углеводородного сырья. Договор №ИФ-12/4-94г.
Заказчик: - научно-технический институт межотраслевой информации
г.Москва. 1994г.
Основание: - решение Правительственной Комиссии МЮС-П48-МК-1235 от
14.07.94г.
2. Исследование возможности организации пульсационного сгорания топлива
на двигателе типа Д-21 А.
Заказчик: - Владимирский тракторный завод, г. Владимир. 1993г.
3. Организация пульсационного сгорания топлива в дизеле 48,6/8,6.
Заказчик: - научно-исследовательский и конструкторско-технологический
институт комбайновых и тракторных дизелей, г. Владимир. 1997г.
Содержание диссертации корреспондирует с Государственной Программой развития науки и техники Российской Федерации.
Направление по созданию опытных образцов термических генераторов для переработки жидкого углеводородного сырья решением Правительственной Комиссии в 1994г. включено в перечень НИР и ОКР «Народнохозяйственные приоритеты», финансируемых из федерального бюджета по разделу 202 «Наука», параграф 2.
В работе также нашли отражение результаты теоретических и экспериментальных исследований, выполненных автором в лаборатории судовых двигателей внутреннего сгорания Новосибирской государственной академии водного транспорта в период с 1976 по 1998г.
В качестве объектов исследования использовались дизели 1413/14,
1412/16, 2410,5/12, 6ЧСПН 16/22,5, а также специально разработанные и изготовленные экспериментальные установки, макеты и модели.
При проведении опытов применялась современная измерительная техника, для расчетов использовались компьютеры.
В соответствии с вышеизложенным к защите представляются следующие материалы:
Результаты теоретического исследования состояния воздушного заряда в цилиндре дизеля, которые показали, что при положении поршня в районе ВМТ имеет место сложное колебательное движение среды в форме тангенциальных и радиальных стоячих волн. Для сохранения акустической энергии этих волн предложено использовать способ оптимизации размеров и формы камеры сгорания.
Способ увеличения амплитуды газодинамических колебаний в цилиндре дизеля посредством специального профилирования поверхности донышка поршня. Результаты сравнительных испытаний дизелей с обычными и профилированными поршнями.
Итоги экспериментальных исследований влияния формы камеры сгорания «Гессельман» и материала стенок на динамику развития топливной струи при дизельном впрыскивании.
Результаты экспериментальных исследований влияния возмущенной воздушной среды на развитие изотермической топливной струи в атмосферных условиях и испаряющейся струи в камере сгорания реального дизеля.
Материалы экспериментальных исследований процессов испарения и горения закрепленных капель топлива в осциллирующей воздушной среде.
Математическая модель и численный метод исследования динамики движения и процессов тепломассообмена капель топлива, взвешенных в возмущенной воздушной среде.
Результаты вычислительного эксперимента, которые позволяют установить
закономерности процессов движения, прогрева и испарения капель топлива, взвешенных в осциллирующей воздушной среде.
Математическая модель и численный метод исследования процессов прогрева и испарения конгломератов капель разных размеров, взвешенных в возмущенной воздушной среде.
Результаты вычислительного эксперимента по исследованию закономерностей процессов тепломассообмена взвеси капель разных размеров в осциллирующей газовой среде.
10.Материалы теоретического и экспериментального исследования возможности осуществления нового способа топливоподготовки посредством акустической паровой развитой внутрикапельной кавитации.
11.Устройство камеры сгорания дизеля для работы в режиме акустической внутрикапельной кавитации и результаты его лабораторных испытаний.
12.Устройство кавитационного термического генератора для газификации тяжелых топлив и результаты его испытания.
Влияние аэродинамики воздушного заряда на процесс сгорания
Как известно [24, 137 и др.], процесс сгорания топлива оказывает доминирующее влияние на экономические, экологические и мощностные показатели дизелей. Вполне естественно, что исследователи уделяли и уделяют изучению этого явления огромное внимание. Разработано множество методов его интенсификации, среди которых следует отметить следующие: - использование специальных синтезированных топлив, содержащих кислород [125]; - предварительная подготовка топлива (термическая, гомогенизация, омагничи-ваниеи ионизация) [27,48,175,211,217,221,231 и др.]; -присадки к топливу [81,82, 133, 138, 155 и др.]; - ионизация воздуха при помощи коронного разряда [46, 69, 115 и др.]; - применение плазменного зажигания [123,129]; - использование радиоактивных изотопов [163, 201, 210]; - оптимизация аэродинамических параметров воздушного заряда [24, 137, 142, 182 и др.]. Остановимся на последнем направлении, как на исходном, определяющим дальнейшее протекание процесса горения. Остальные мероприятия носят главным образом, вспомогательный характер. Для анализа влияния аэродинамических факторов на процессы горения воспользуемся известной разбивкой последнего на отдельные периоды [162], т.е.: - задержки воспламенения топлива; - быстрого сгорания; - основного горения; - догорания. Состояние воздушного заряда оказывает влияние как на процессы пред-пламенных реакций, так и на горение топлива в течение последующих стадий. Однако, наибольшее значение и конвективный и турбулентный переносы имеют в течение последних двух периодов (основного горения и догорания). Рассмотрим это более подробно.
Фаза основного горения характеризуется наивысшими температурами рабочего тела и определяет термический КПД цикла. В этом периоде сгорание происходит по диффузионному механизму, в котором скорость горения ограничивается скоростью испарения капель распыленного топлива и образованием паровоздушной горючей смеси. Для улучшения экономических и экологических показателей дизеля необходимо, чтобы в этой фазе сгорело как можно быстрее возможно большее количество топлива.
Интенсификация процесса горения в этом периоде необходима и может быть при прочих равных условиях осуществлена за счет: - ускорения процессов тепломассообмена между каплями распыленного топлива и газовой средой; - интенсивного перемешивания образующихся паров топлива и сажи с окислителем.
Оба направления определяются аэродинамическими качествами воздушного заряда в камере сгорания двигателя. При этом особую роль здесь играет возмущение воздушного заряда. Ранее было показано, что турбулентность газовой среды инициирует процессы прогрева и испарения капель и обеспечивает качественное перемешивание компонентов горючей смеси.
Хорошо известно [24], что четвертый период (догорание) рабочего процесса дизеля вообще нежелателен. Чем он короче, тем выше экономические и экологические показатели двигателя. Этот период характеризуется снижением давления и температуры рабочего тела, уменьшением содержания в нем окис лителя, наличием в камерах сгорания разрозненных объемов, богатых горючими компонентами. Все это негативно влияет на процесс догорания и наиболее действенным методом его ускорения является интенсификация перемешивания реагирующих компонентов. А это, как уже было сказано выше, можно сделать за счет организации конвективных потоков в камере сгорания и турбулизации в ней газовой среды.
Проведенный анализ позволяет констатировать, что для сокращения продолжительности третьего и четвертого периодов рабочего процесса дизеля, а следовательно, для улучшения экономических, экологических и мощностных показателей последнего, необходимо тем или иным методом организовать в камере сгорания интенсификацию как конвективного, так и турбулентного перемешивания. Рассмотрим и проанализируем существующие методы достижения этого.
Дополнительное возмущение среды и конвективные потоки в ней на такте расширения можно осуществить за счет впрыскивания в цилиндр под высоким давлением жидкости (воды) или газов (воздуха, водяного пара, азота и др.).
В числе первых, кто предложил интенсифицировать процесс горения в дизеле струей газа был В.В. Писчаненко [120]. Специальное устройство («газовый компрессор») при движении поршня к нижней мертвой точке подавало сжатый воздух в основную камеру сгорания. Возмущающий поток газа позволил увеличить среднее индикаторное давление тихоходного дизеля на 20% при бездымном выхлопе и сохранении удельного расхода топлива. Качественное сгорание осуществлялось при коэффициенте избытка воздуха равном 1,25-1,3.
Аналогичным способом, при подаче в камеру сгорания сжатого воздуха (или азота) на быстроходном дизеле 414/16,5, обеспечивалась бездымная работа двигателя при коэффициенте избытка воздуха равном 1,1-1,2 с одновременным уменьшением расхода топлива на 10% [169].
Исследование по интенсификации процесса сгорания за счет организации дополнительного движения вихревого заряда, выполненные Л.С. Ронинсоном и И.В. Болдыревым [131], Ю.Н. Шулежко [193], А.А. Школьным и С.Я. Сопиным [192], также подтверждают эффект улучшения индикаторных показателей и бездымную работу дизелей при малых коэффициентах избытка воздуха.
Несмотря на положительный эффект, который дает метод турбулизи-рующих струй, он не нашел практического использования. Так, «газовый компрессор» В.В. Писчаненко оказался ненадежным в эксплуатации, а расходы на обычный компрессор, обслуживающий систему турбулизирующих струй, перекрывают эффект от использования последних.
Учитывая сказанное выше, В.М. Нагибиным [96, 97] были проведены исследования на судовом дизеле 4417,5/24 по интенсификации процесса сгорания посредством специальной предкамеры-завихрителя. Основная часть топлива здесь впрыскивалась в камеру сгорания, расположенную в поршне, через штатную форсунку. Другая, значительно меньшая доля горючего, при помощи дополнительного топливного насоса подавалась через штифтовую форсунку в специальную камеру сгорания, расположенную в крышке цилиндра. Продукты сгорания, выбрасываемые из предкамеры-завихрителя, выполняли здесь роль завихривающей струи.
Испытание предложенной конструкции показали, что при работе на дизельном и моторном топливе достигнуто снижение удельного эффективного расхода топлива. На дизельном топливе 6-7 г/элс-ч, на моторном 10 г/элс-ч. Наибольший эффект от применения дополнительной турбилизации наблюдался при угле опережения впрыскивания топлива дополнительной форсункой равном (3-6) ПКВ после ВМТ. Отмечена возможность форсирования дизеля до 14% по мощности при сохранении основных показателей рабочего процесса, которые соответствовали номинальной нагрузке в обычном варианте. Наибольший положительный эффект от применения дополнительной предкамеры
Акустическая оптимизация формы и размеров камеры сгорания
Рассмотрим современные, наиболее экономичные и экологичные камеры сгорания быстроходных дизелей и их конструктивные особенности.
Исследования рабочего процесса высокооборотных малотоксичных двигателей с камерой сгорания в поршне, выполненные в ЦНИДИ Семеновым Б.Н., Комовым А.П. и Ломовым СИ. [141], показали, что наибольшая топливная экономичность (при прочих равных условиях) достигается: - совмещением оси камеры сгорания с осью цилиндра; - выполнением днища поршня без выточек и пазов.
Семеновым Б.Н,, Павловым Е.П., Копцевым В.П. [142] при анализе конструкций поршней отмечена тенденция применения камер сгорания с широкой горловиной. За рубежом их доля в настоящее время составляет 63% от общего количества. Большое распространение получили камеры сгорания цилиндрической формы. Среди отечественных дизелей такую камеру сгорания имеют разработанные в последнее время двигатели 49,5/11, 414/14, 416,5/17 и др. Убедительного теоретического объяснения этому факту в литературе нет.
Рассмотрим целесообразность использования цилиндрических осесим-метричных камер сгорания в поршне с точки зрения акустики. Shahed SM, Flym P.F., Lyn W.T. [220] в двигателях с осесимметричной цилиндрической камерой сгорания обнаружили явление, условно названное ими как «хлюпанье». Экспериментально подтверждено, что «хлюпающие» камеры сгорания значительно экономичнее и экологичнее тех, в которых этого явления нет.
Рассмотрим процесс «хлюпанья», используя результаты анализа частотных характеристик газодинамических колебаний воздушного заряда, описанные в параграфе 2.1.
Предположим, что «хлюпанье» есть факт проявления радиальных стоячих волн (см. рис. 2.4 и 2.5). Тогда, в соответствии с определением стоячей волны [166], можно записать соотношение между длиной полуволны и характерным размером камеры сгорания где Я - длина п - число полуволн {п=1,2,3...); dx - диаметр камеры сгорания в поршне. Так как длина волны и частота гармонических колебаний связаны зави (2.10)
Как видно из выражений (2.9) и (2.10), для совпадения гармоник радиальных стоячих волн в цилиндре и в камере сгорания, необходимо чтобы размер полуволны был кратен диаметрам камеры сгорания и цилиндра. В этом случае рассеяние энергии волнового движения газовой среды будет минимальным. Условия акустической оптимизации необходимо дополнить требованиями, сформулированными в [141], а именно: - совмещения оси камеры сгорания с осью цилиндра; - выполнение днища поршня без выточек и пазов.
В табл.2.2 приведены основные характеристики и размеры камер сгорания в поршне современных быстроходных дизелей.
На рис.2.6. изображены эпюры давления и скорости смещения частиц воздуха в цилиндрической камере сгорания дизеля 49,5/11. Из рисунка видно, d, что при соотношении диаметров —L = 0,5 между цилиндрическими стенками d камеры сгорания укладывается две полуволны, а между стенками цилиндровой втулки - четыре. d. Для дизеля 416,5/17 (рис.2.7) при соотношении — = 0,606 в камере сго d рания укладываются три полуволны, а между стенками цилиндра - пять. Таким образом видно, что при определенных условиях (согласование формы, расположения и размеров камеры сгорания в поршне с размерами цилиндра) создаются условия для сохранения колебательного движения радиальных стоячих волн, возбуждаемых в процессе наполнения. В дальнейшем это согласование предлагается называть акустической оптимизацией формы и размеров камеры сгорания. Приведенный анализ подтверждает тот факт, что вследствие такой оптимизации улучшаются экономические и экологические показатели дизельных двигателей.
Влияние газодинамических колебаний воздуха надинамику топливной струи
В экспериментальных работах [23, 51, 53] установлен факт существенного влияния колебаний на структуру воздушных гомогенных струй. Это воздействие носит сложный избирательный характер в зависимости от параметров струи, от частоты и интенсивности пульсаций. Влияние осциллирующей воздушной среды на динамику развития двухфазных струй в условиях дизельного впрыскивания не изучалось. Исследуем возможность воздействия газодинамических колебаний воздуха на изотермическую топливную струю при атмосферных условиях. Для этого в лаборатории СДВС НГАВТ был проведен специальный эксперимент. Схема опытной установки представлена на рис.3.7. Дизельное топливо при помощи шестиплунжерного топливного насоса высокого давления 6, приводимого в действие электродвигателем 7, подавалось в топливный аккумулятор 5. Затем, горючее через форсунку 4, оборудованную одноструйным распылителем, впрыскивалось в атмосферу. На струю топлива, истекающую под постоянным давлением накладывались поперечные колебания воздуха, генерируемые при помощи электродинамического излучателя 3. Последний получал питание от генератора электрических импульсов 1 через усилитель 2. Форма струи фиксировалась при помощи фотоаппарата. Проведенные исследования подтвердили гипотезу о том, что пульсации воздушной среды способны интенсифицировать поперечный перенос капельной взвеси в топливной струе в широком диапазоне звуковых частот. Это в свою очередь приводит к росту (до 5...7 градусов) угла рассеивания. Сказанное подтверждается, в частности, материалами рис.3.8 где приведены фотографии топливной струи, развивающейся в спокойной и осциллирующей среде. В последнем случае громкость звука составляла 140 дБ, при частоте 250 с 1 Из рисунка видно, что возмущение среды приводит к более равно С уменьшением амплитуды газодинамических пульсаций угол рассеивания уменьшался до размера, характерного для струи, развивающейся в невозмущенной воздушной среде. Рис. 3.8. Фотографии топливной струи, развивающейся в спокойной (вверху) и возмущенной (внизу) воздушных средах при атмосферном давлении и давлении впрыскивания 20 МПа. Таким образом проведенное исследование убедительно показало, что газодинамические колебания среды улучшают качество макросмесеобразования (они размывают сердцевину топливной струи и тем самым уменьшают основной недостаток струйного смесеобразования). 3.3. Влияние газодинамических колебаний на процессы тепломассообмена и горения единичных закрепленных капель топлива Экспериментальное изучение особенностей процесса испарения и горения закрепленных капель углеводородного топлива в возмущенной воздушной среде проводилось на опытной установке, принципиальная схема которой приведена на рис. 3.9. Капля дизельного топлива ГОСТ 305-82 «Л» плотностью 830 кг/м подвешивалась на стеклянном шарике 1, закрепленном на тонкой (8 мкм) вольфрамовой нити, и с помощью электромагнита 2 подавалась в электрическую печь 3, внутри которой проходил волновод 4. Газодинамические колебания воздушной среды возбуждались электродинамическим излучателем 5. Частота колебаний задавалась генератором 6 типа Г 3-33, а их мощность регулировалась усилителем 7 типа У-101. Температура в электропечи контролировалась с помощью потенциометра 8 марки МРЩПр-54 и хромель-алюмелевой термопары 9, а мощность газодинамических колебаний - измерителем шума и вибрации ВШВ-003. Процесс горения капли фиксировался на фотопленку кинокамерой 10 типа «Пентафлекс». Освещение снимаемого объекта осуществлялось лампой 11. Рис. 3.10. Общий вид экспериментальной установки для исследования испарения и горения капель топлива в возмущенной воздушной среде. Регулировка уровня освещенности, скорости подачи капли в печь и нагрева в ней воздуха производилась реостатами, которые на схеме не показаны. Измерение размеров капли с кинопленки проводилось при помощи диапроектора на экране. В качестве масштаба был принят диаметр стержня державки. Общий вид установки показан на рис.3.10. На рис.3.11 в качестве примера приведены кинорегистрации процесса горения капли дизельного топлива в спокойной и возмущенной воздушной среде. На рис.3.12 показаны графики изменения относительного размера капли во времени при горении в спокойной и возмущенной среде воздуха в зависимости от интенсивности газодинамических колебаний. Из представленных фотографий и графиков видно, что пульсирующая воздушная среда способна интенсифицировать процесс сгорания одиночных капель топлива, существенно сокращая период задержки воспламенения и время их горения. ИГ ІИГ і ш fl! П 1 Рис. 3.11. Кинорегистрации процесса горения единичной закрепленной капли дизельного топлива в спокойной (а) и возмущенной (б) воздушной среде. ІВ ъ,с Рис. 3.12. Изменение размера капли дизельного топлива при горении в спокойной и осциллирующей воздушной среде при температуре 700С и частоте газодинамических колебаний У = 525 с 1. dv d0 - текущий и начальный диаметр капли. 1 - интенсивность колебаний 1=140 дБ; 2 - 1=134 дБ; 3 -1=122 дБ; 4 - спокойная среда. Рис.3.13. Зависимость времени испарения капли дизельного топлива в спокойной и возмущенной воздушной среде при температуре 600С и частоте пульсаций 525 с"1. Обозначение параметров и графиков аналогичны рис.3.12.
Исследование процессов тепломассообмена единичных капель топлива, взвешенных в возмущенной газовой среде
Рассмотрим теперь в едином комплексе процессы движения, прогрева и испарения одиночных капель топлива, взвешенных в осциллирующей воздушной среде. Предположим, что капля, начальный размер которой dk0 считается известным, помещена в возмущенную газовую среду, которая имеет относи-тельно высокую температуру Тх. В начальный момент времени температура капли равна Т20. Допустим, что Т{ Т20. При этих условиях капля вступает в процесс тепломассообмена со средой. Требуется проследить за динамикой движения, прогрева и испарения такой частицы. Дополнительно к ранее сформулированным допущениям (см. параграф 4.1) примем следующие упрощающие предпосылки: - температуру жидкости в объеме капли будем считать одинаковой, т.е. - не будем учитывать изменение размера капель в процессе их прогрева. При сделанных допущениях исследуемый процесс может быть описан % следующей системой уравнений: 1. Уравнение (4.1) движения воздушной среды. 2. Уравнения (4.2) и (4.3) движения центра капли. 3. Уравнение баланса теплоты [74, 172] где А/ - разница энтальпий пара и жидкости топлива при температуре поверхности капли; Л, - коэффициент теплопроводности газовой среды; Nucm - значение критерия Нуссельта при отсутствии обдува капли; FX,F2 - безразмерные параметры, которые определяют собой влияние обдува капли и оттока от нее паров топлива на процессы тепломассообмена. Величина критерия Нуссельта определяется выражением, приведенным в [74] Яги,Сп , - соответственно коэффициент теплопроводности, тепло м Рам w емкости и плотность парогазовой смеси. Dn - коэффициент молекулярной диффузии; С0іСж - концентрация паров топлива на поверхности капли и на значительном удалении от нее. Параметры Fx и F2 найдем по формулам [74, 172] P - парциальное давление пара на поверхности капли; Рк - критическое давление топлива. Коэффициент Si определиться соотношением Рх - давление среды. Величину S найдем по выражению [72] где Z =\-\1-5п) - приведенная сжимаемость жидкости в состоянии насыщения; где Рп - парциальное давление паров жидкости при низких давлениях среды. Для нахождения величины Рп воспользуемся одним из решений уравнения Клапейрона-Клаузиуса [90] где Wa - критерий Ватсона; Тк - критическая температура топлива. Параметр М оценим по выражению [70] где Rn - газовая постоянная пара топлива. Теплоемкость топлива будем определять по зависимости [42]С2 = C20(l +0,002/2), (4.13) где С20 - теплоемкость топлива при температуре 0С. Плотность и теплоемкость парогазовой смеси оценим по выражениям где Re - газовая постоянная воздуха; С , С - соответственно, теплоемкости топливных паров и воздуха; Т\Ср Vi + 2)/2 - средняя температура парогазовой среды. Изобарная теплоемкость топливных паров определяется зависимостью [42] I Коэффициент динамической вязкости воздушной среды найдем по выражению [42] где //10 - динамическая вязкость воздуха при температуре 0С; т - опытный коэффициент. Коэффициент теплопроводности парогазовой смеси может быть принят равным теплопроводности воздуха при атмосферном давлении. Последний определяется формулой [42] где /lj0 - коэффициент теплопроводности воздуха при 0С. Плотность воздуха может быть найдена на основе известного соотношения ) где р10 - плотность воздуха при нормальных условиях. Коэффициент поверхностного натяжения будем находить по выражению [42] где т0 - коэффициент поверхностного натяжения при исходной температуре; Г0 = 293 К - исходная температура. Система (4.1...4.3) и (4.6...4.20) замкнута, т.к. состоит из 18 уравнений и включает в себя 18 неизвестных: и,й), dk, t2, А/, Л,, рсм,Срсм, Dn, S, CQ, JU{, pv P , Pn, C2,Cpn,cr. Для решения к указанной системе необходимо присоединить условия однозначности. Для решения определяющей системы уравнений необходимо знать параметры, зависящие от сорта топлива. Эти величины приведены в табл.4.1 [36].
