Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы по проблемам идентификации и расчета газогидродинамических процессов в каналах газоходов переменного сечения при отводе и охлаждении горячих газов энергетических установок 17
1.1. Проблемы отвода и охлаждения горячих газов энергетических установок 17
1.2. Устройства для отвода- и охлаждения горячих газов энергетических установок 20
1.2.1. Открытая установка с водной защитой 21
1.2.2. Установка с уловом, нейтрализацией и охлаждением горячих газов энергетических установок при низком давлении 23
1.2.3. Экологически чистый стенд для отвода и охлаждения горячих газов энергетических установок 24
1.3. Вычислительное моделирование и проблемы идентификации и учета газогидродинамических процессов в канале переменного сечения газохода при отводе и охлаждении горячих газов энергетических установок 28
1.4. Обзор программных систем инженерного анализа газогидродинамических процессов 50
Выводы по главе 59
Глава 2. Подготовка вычислительного эксперимента по расчету газогидродинамических характеристик потока в канале переменного сечения газохода 60
2.1. Разработка математической и физической моделей 60
2.1.1. Физическая модель 60
2.1.2. Математическая модель 62
2.2. Выбор метода решения
2.3. Создание геометрической (твердотельной) модели и построение расчетной сетки 74
2.4. Задание начальных и граничных условий 77
2.5. Задание дополнительных параметров 80
2.6. Оценка сходимости и обеспечение устойчивости решения 81
Выводы по главе 82
Проведение вычислительного эксперимента по расчету газогидродинамических процессов в канале переменного сечения газохода при отводе и охлаждении горячих газов энергетических установок
3.1. Расчет газогидродинамических характеристик потока в канале переменного сечения газохода 83
3.2. Расчет газогидродинамических характеристик потока в канале переменного сечения газохода при непрогнозируемой задержке подачи воды 93
3.3. Расчет волновых процессов в канале переменного сечения газохода 100
3.4. Оценка температурного режима вблизи стенки газохода 102
Выводы по главе 108
Глава 4. Разработка комплекса инженерных методик расчета нестационарных газогидродинамических процессов в канале переменного сечения газохода при отводе и охлаждении горячих газов энергетических установок и сравнение результатов расчета с результатами физических экспериментов, численных и аналитических решений 109
4.1. Комплекс инженерных методик расчета нестационарных газогидродинамических процессов в канале переменного сечения газохода при отводе и охлаждении горячих газов энергетических установок 109
4.1.1. Инженерная методика выбора количества и расположения форсунок при построении твердотельной модели канала переменного сечения газохода
4.1.2. Инженерная методика проведения вычислительного эксперимента по оценке параметров нестационарных газогидродинамических процессов в канале переменного сечения газохода 115
4.1.3. Инженерная методика обеспечения допустимых режимов работы газохода по температуре потока в выходном сечении и вблизистенки 125
4.1.4. Инженерная методика определения настроек газохода 131
4.2. Сравнение результатов вычислительного и аналитического решений 137
4.2.1. Расчет газового эжектора 137
4.2.2. Расчет теплового баланса для газового и газожидкостного эжекторов 139
4.2.3. Определение скорости распространения ударной волны 146
4.3. Сравнение результатов вычислительного и физического экспериментов 151
4.4. Сравнение результатов вычислительных экспериментов 153
Выводы по главе 156
Заключение 158
Список литературы
- Установка с уловом, нейтрализацией и охлаждением горячих газов энергетических установок при низком давлении
- Создание геометрической (твердотельной) модели и построение расчетной сетки
- Расчет газогидродинамических характеристик потока в канале переменного сечения газохода при непрогнозируемой задержке подачи воды
- Инженерная методика выбора количества и расположения форсунок при построении твердотельной модели канала переменного сечения газохода
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. При уничтожении энергетических установок (ЭУ), в связи с истечением сроков их хранения и реализацией международных договоров, возникает проблема отвода и охлаждения высокоскоростных и высокотемпературных потоков истекающих газов. Для этого используют специальные технические устройства, в том числе газоходы переменного сечения.
Необходимо обеспечить эффективную работу газохода в широком диапазоне изменения рабочих параметров, защиту газохода и исключить его влияние на технические параметры всей системы.
Известны работы по данному направлению СИ. Бурдюгова, Р.В. Гафиятуллина, В.И. Гребенкина, А.С. Жаркова, А.П. Жукова, Л.В. Забелина, Ю.Е. Зайчикова, Г.В. Куценко, В.И. Марьяша, В.Ю. Мелешко, В.М. Меркулова, Ю.М. Милехина, Б.С. Мокрушина, А. Д. Павлова, А.Н. Поника, Е.К. Спиридонова, З.А. Тухватуллина, Р.В. Широкова, А.А. Шишкова и др.
Повышение эффективности работы такого газохода может быть связано с сокращением протяженности зоны охлаждения, сокращением расхода воды, обеспечением пониженных давлений и температур в канале газохода и требует рассмотрения процессов в динамической многомерной постановке, детального учета действующих факторов.
Вместе с тем, при проведении работ с ЭУ имели место случаи нештатной, непрогнозируемой работы газохода, связанные с возникновением нестационарных режимов функционирования. Такие режимы могут привести к снижению уровня технической и экологической безопасности, а также к повреждению или разрушению материальной части и представлять опасность для обслуживающего персонала. Восстановление работоспособности газохода связано с большими материальными и временными затратами.
Следовательно, существующих методик расчета нестационарных газогидродинамических процессов в газоходе при отводе и охлаждении горячих газов ЭУ недостаточно, необходимо их совершенствование и проведение дополнительных исследований с целью создания новых подходов к расчету газогидродинамических процессов в газоходе. Отсутствуют инженерные методики решения задач для нестационарного, трехмерного, многофазного течения с учетом рассмотрения процессов испарения воды, теплового и скоростного взаимодействия фаз между собой. Необходимо создание методики определения областей допустимой работы газохода.
Таким образом, настоящая работа, посвященная исследованию и созданию методик расчета нестационарных газогидродинамических процессов в канале переменного сечения газохода при отводе и охлаждении горячих газов ЭУ, является актуальной.
Цель работы. Численное моделирование нестационарных газогидродинамических процессов в канале переменного сечения газохода при отводе и охлаждении горячих газов ЭУ, выявление многопараметри-
ческой области с построением на ее основе инженерной методики
обеспечения допустимой работы газохода.
Исходя из этого, были поставлены и решены следующие задачи:
1.Исследовать в трёхмерной динамической постановке степень
заполнения проточной части потоками и влияние соотношения массового
секундного расхода воды и горячих газов на температуру и скорость потока в
газоходе.
Провести численное моделирование волновых процессов в канале переменного сечения газохода при смешении высокоскоростного и высокотемпературного потока горячих газов, эжектируемого потока на стенки установки.
Выявить многопараметрическую область допустимой работы газохода и построить номограммы для определения температур в выходном сечении газохода и теплового воздействия потока горячих газов на стенки установки.
4. Разработать комплекс инженерных методик для расчета
нестационарных газогидродинамических процессов в канале переменного
сечения газохода при отводе и охлаждении горячих газов ЭУ.
Методика исследования. В работе использован численный метод решения задач газо- и гидродинамики - метод конечных объемов, аналитические методы расчета волновых процессов в трубе, газовой эжекции и теплового баланса.
Научная новизна диссертационной работы.
Разработанные в трехмерной динамической постановке физическая и математическая модели газожидкостной эжекции позволили учитывать особенности скоростного и теплового взаимодействия воды, высокотемпературного эжектирующего и низкотемпературного эжектируемого потоков в газоходе между собой, а также процессы движения, нагревания и испарения капель воды.
Впервые в ходе вычислительного эксперимента обнаружены зависимости характеристик волновых процессов в канале переменного сечения газохода при отводе и охлаждении горячих газов ЭУ от относительного расхода воды.
Впервые выявлена многопараметрическая область допустимой работы газохода по температуре и давлению, которая применима к различным конструкциям энергетических установок, отличающихся по расходным характеристикам.
Впервые, по результатам вычислительных экспериментов, предложены номограммы, позволяющие определять настройки газожидкостного эжектора для достижения требуемого температурного режима работы газохода.
Практическая ценность и реализация результатов работы. 1. Полученные новые качественные и количественные результаты, позволяют оценить влияние расходных параметров потоков горячих газов и
воды и сформулировать практические рекомендации для обеспечения допустимой работы газохода.
2. Построена номограмма, которая позволяет, при постоянных
настройках газожидкостного эжектора, сформулировать практические
рекомендации по работе с различными энергетическими установками.
Предложен комплекс инженерных методик расчета нестационарных газогидродинамических процессов в канале переменного сечения газохода при отводе и охлаждении горячих газов ЭУ.
Созданы программные продукты, зарегистрированные Роспатентом (Свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ №2008614051 от 25.08.2008 г. и №2010614281 от 01.07.2010 г.).
Результаты диссертационной работы внедрены на ФГУП «Научно-исследовательский институт полимерных материалов» (г. Пермь) и в учебный процесс ГОУ ВПО «Пермский государственный технический университет».
На защиту выносятся.
Результаты вычислительных экспериментов по оценке нестационарных газогидродинамических рабочих процессов в канале переменного сечения газохода при отводе и охлаждении горячих газов энергетических установок.
Результаты вычислительных экспериментов, моделирующих волновые процессы в канале переменного сечения газохода при отводе и охлаждении горячих газов энергетических установок.
3. Инженерная методика обеспечения допустимых режимов работы
газохода по температуре потока в выходном сечении и вблизи стенки
(определение минимальных значений соотношений массовых секундных
расходов воды и горячего газа для достижения требуемого режима работы
установки).
Инженерная методика определения настроек газохода для различных энергетических установок (распределение воды по поясам и секциям газохода, определение диапазона ЭУ при постоянных настройках газожидкостного эжектора).
Инженерная методика проведения вычислительного эксперимента по оценке параметров нестационарных газогидродинамических процессов в канале переменного сечения газохода.
Инженерная методика выбора количества и расположения форсунок при построении твердотельной модели канала переменного сечения газохода.
Достоверность. Достоверность полученных результатов подтверждается корректным применением общих законов механики жидкости и газа, удовлетворительным совпадением результатов расчета нестационарных газогидродинамических процессов в канале переменного сечения газохода при отводе и охлаждении горячих газов энергетических установок с результатами аналитических решений, численных расчетов в других системах инженерного анализа, а также совпадением с результатами физических экспериментов.
Личный вклад автора заключается в разработке физической и
математической модели в трехмерной постановке, проведении
вычислительных экспериментов, построении номограмм и
многопараметрической области допустимой работы газохода, разработке
комплекса инженерных методик расчета нестационарных
газогидродинамических процессов в канале переменного сечения газохода при отводе и охлаждении горячих газов энергетических установок.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на конференциях: XXV Российской школе и XXXV Уральском семинаре по механике и процессам управления, посвященных 60-летию Победы (РАН, г. Москва, 2005 г.); III Всероссийской научной конференции «Математическое моделирование и краевые задачи» (СГТУ, г.Самара, 2006 г.); VIII-XI Всероссийских научно-технических конференциях «Аэрокосмическая техника и высокие технологии» (ПГТУ, г.Пермь, 2005-2009 г.г.); Всероссийской научно-технической конференции «Динамика машин и рабочих процессов» (ЮУрГУ, г. Челябинск, 2007 г.); V ярмарке бизнес-ангелов и инноваторов (г. Пермь, 2007 г.); V Всероссийской конференции «Механика микронеоднородных материалов и разрушение» (ИМаш УрО РАН, г. Екатеринбург, 2008 г.); Академических чтениях по космонавтике «Актуальные проблемы российской космонавтики (МГТУ им. Н.Э. Баумана, г. Москва, 2009-2011 г.г.); XVII Школе-Семинаре молодых ученых и специалистов руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и теплообмена в аэрокосмических технологиях» (НАГИ, г. Жуковский, 2009 г.); XVIII Всероссийской школе-конференции молодых ученых и студентов «Математическое моделирование в естественных науках» (ПГТУ, г. Пермь, 2009 г.); Всероссийской молодежной научной конференции «Мавлютовские чтения» (УГАТУ, г. Уфа, 2009 г.); 8-й Международной конференции «Авиация и космонавтика-2009» (МАИ, г. Москва, 2009 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Фундаментальные основы баллистического проектирования - 2010» (БГТУ «Военмех», г. Санкт-Петербург, 2010 г.); X Международной конференции «Высокопроизводительные параллельные вычисления на кластерных системах» (ПГТУ, г. Пермь, 2010 г.); Научно-технической конференции молодых специалистов (ОАО «НПО «Искра», г. Пермь, 2007-2010 г.г.).
Публикации. Содержание диссертационной работы отражено в 24 научных работах, из них 17 статей (3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ); 2 свидетельства Роспатента об официальной регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка из 155 наименований, приложения. Диссертация содержит 65 рисунков и 18 таблиц. Общий объем работы 178 страниц, в том числе приложение на 3 страницах и библиографический список на 16 страницах.
Установка с уловом, нейтрализацией и охлаждением горячих газов энергетических установок при низком давлении
Рассмотрение вопросов» отвода и охлаждения истекающих газов энергетических установок различного назначения является достаточно актуальным. В настоящее время в технике широко используются газоходы для отвода и охлаждения высокотемпературных и высокоскоростных потоков истекающих газов,энергетических установок (ЭУ).
Разработка и создание оптимальной технологии8 отвода горячих газов ЭУ является сложной научно-технической задачей. Проведение работ на данном этапе связано с большими финансовыми и временными затратами, с обеспечением технической и экологической безопасности [72,119]. Установки, предназначенные для отвода и охлаждения-горячих газов должны. обеспечивать работу ЭУ различных типов, отличающихся массово-габаритными характеристиками, с учетом временных ограничений.
После истечения сроков хранения наблюдаются изменения технических характеристик элементов ЭУ, могут возникать дефекты (трещины, отслоения, изменения структуры). Это может привести к аномальной работе ЭУ, повышению давления в камере сгорания и разрушению энергетической установки. Работа ЭУ со скрытыми дефектами может повлечь за собой и разрушение газохода установки для отвода горячих газов и систем очистки.
При работе ЭУ образуется высокотемпературный и высокоскоростной поток горячих газов с высоким содержанием вредных веществ, которые подлежат обязательному улову. Например, в канале переменного сечения газохода с экологической защитой для очистки от вредных веществ используется, вода или нейтрализующий раствор, с подачей в газоход под давлением. В результате происходит столкновение потоков, их турбулизация. Вода обеспечивает не только снижение скорости потока горячих газов, но и его охлаждение. При; этом происходит испарение воды, увеличивается объем смеси, что способствует уменьшению пропускной; способности газохода, возникновению эффекта запирания с образованием областей: повышенного давления; Необходимо: оценить картину волновых процессов- в- канале переменного сечения газохода, возникающую при? продвижении1, горячего газа по проточному тракту и при активном взаимодействии с: охладителем. Недостаточно исследовано влияние высокотемпературного потока на технические, параметры всей системы Все: эти факторы могут привести к возникновению непрогнозируемых режимов работы газохода установки, что повлечет за1 собой повреждение или разрушение материальношчасти и может оказаться опасным: фактором -для: обслуживающего персонала- Поэтому разработка технологического процесса при отводе-горячих газов ЭУ.должна: быть связана с обеспечениемтехнической безопасности: Наряду с обеспечением; технической: безопасности важное значение имеют вопросы;, связанные с экологической защитойї [72 122]. Пог мнению авторов [122], анализ:технологий показывает,, что до настоящего времени не разработаны промышленные технологии,- которые удовлетворяли бы. всем требованиям по защите окружающей среды. Обеспечение отвода горячих газові ЭУ любым из, методов: оказывает отрицательное влияние на окружающую среду. Выбранный метод и соответствующая установка должны обеспечивать максимальное: снижение выброса вредных веществ в окружающую среду. Например, отвод горячих газов ЭУ с экологической защитой предусматривает нейтрализацию хлористого водорода, дожигание угарного газа и водорода и осаждения-твердых, веществ.
Важным критерием соблюдения технической и экологической безопасности является температура потока на выходе из газохода. Ее значение не должно превышать допустимого. При температуре, ниже допустимой, отсутствует выброс вредных компонентов горячих газов — происходит конденсация парогазового потока, в котором присутствуют вредные компоненты, происходит уменьшение объема парогазового потока, что значительно снижает силовые нагрузки на конструкцию газохода. Температура потока вблизи стенки газохода является дополнительным критерием достижения требуемого, по техническим и экологическим нормам, режима работы газохода. При температуре, ниже допустимой, обеспечивается техническая безопасность канала газохода, отсутствует прогар стенок газохода.
Выбор метода отвода горячих газов ЭУ требует серьезного технико-экономического обоснования [14,76,96,119]. Необходима детальная проработка как затратных статей (обслуживание и эксплуатация установки, проведение работ с ЭУ, издержки на поиск потребителей конечных материалов, информационные, судебные издержки и прочие), так и возможных доходов. При этом доходы должны покрыть расходы в возможно более короткие сроки [76,96].
Большой объем научных исследований по данной проблеме [28,29,76,109,112,113,120,121,121] выполнен. отраслевыми научно-исследовательскими институтами и предприятиями: ОАО «Корпорация «МИТ», г.Москва (В.И. Гребенкин, А.Д-. Павлов, А.А Шишкова др.); ФГУП «НИИПМ», г.Пермь (Г.В. Куценко, А.Н. Поник и др.); ФГУП ФЦЦТ «Союз», г.Дзержинский, Московская область (Ю.Е. Зайчиков, В.М. Меркулов, Ю.М. Милехин, Р.В. Широков и др.); ОАО ФНПЦ; «Алтай», г. Бийск, Алтайский край (А.Є. Жарков, А.П. Жуков, В.И. Марьяш и др.); Военной академией РВСН им. Петра Великого, г. Москва (В.Ю. Мелешко и др.); ОАО «Техническая химия», г. Москва (Р.В . Гафиятуллин, Л.В. Забелин и др.); ФКП «НИИ «Геодезия» (г. Красноармейск Московской обл.) и др. [16,63,76,109,122]. Вопросам повышения эффективности и безопасности работ при отводе и охлаждении горячих газов ЭУ посвящены многочисленные исследования [28,29,24,70,72,76,121,122]. Серьезные экологические, технические, экономические и социально-политические проблемы могут возникнуть вследствие ошибок, допущенных на этапе проектирования установок для отвода горячих газов энергетических установок. Поэтому необходимо развивать и уточнять методы расчета рабочих процессов при отводе и охлаждении горячих газов через газоходы, оптимизировать их конструктивно-компоновочные схемы, что позволит повысить эффективность работы установок, решить проблемы экологического и технического характера.
Создание геометрической (твердотельной) модели и построение расчетной сетки
Все вышепредставленные задачи решались в нульмерной, одномерной и двумерной постановках. В ходе решения были определены рабочие процессы и параметры потоков в каналах переменного сечения различного типа, определены их конструктивно-компоновочные схемы. Проведенные вычислительные эксперименты показывают хорошее совпадение с результатами аналитических решений. Однако, по мнению авторов [38, 136], расчет проникновения и смешения струй воздуха и горячих газов требует трехмерной постановки. Данные задачи являются достаточно сложными, требуют больших вычислительных ресурсов и в настоящее время не решены [122]. Кроме того, остаются не изученными волновые процессы в газоходах переменного сечения при взаимодействии горячего газа, воды и эжектируемого воздуха [66]; не рассмотрены в трехмерной постановке процессы в системе «газ-воздух-вода» с учетом процессов, эжекции, не проведена оценка температурного воздействия на стенки газохода, отсутствуют зависимости для определения температуры потока вблизи стенки и на выходе из газохода при изменении расхода горячего газа. Не исследуется вопрос об определении областей допустимой работы газохода при отводе высокоскоростного и высокотемпературного потока горячих газов ЭУ, имеющих различные расходно-массовые характеристики. Также отсутствуют инженерные методики по расчету нестационарных газогидродинамических рабочих процессов в канале переменного сечения газохода при отводе горячих газов энергетических установок и методики по настройке газожидкостного эжектора по впрыску воды по поясам и секциям для различных ЭУ.
Из проведенного обзора литературы следует, что на формирование рабочих процессов в канале переменного сечения газохода при отводе горячих газов энергетических установок оказывают воздействие целый ряд параметров, в том числе физико-механические, химические, тепловые, конструктивные и т.д. Известно, что методы оценки характера и степени влияния этих факторов на газогидродинамические процессы можно разделить на теоретические, экспериментальные и комбинированные. Наиболее достоверные результаты могут быть получены в результате проведения натурных экспериментов. Однако высокая стоимость их проведения накладывает жесткие ограничения на объем опытных испытаний. Кроме того, чрезвычайно затруднено и физическое моделирование [11,12]. При этом необходимо соблюдение как геометрического, так и физического подобия модельной и натурной конструкции. То есть для пересчета результатов модельного эксперимента на натуру необходимо обеспечить пропорциональность и пространственно-временное соответствие значений физических характеристик модели и объекта. Сутью такого подхода является то, что для модели и- объекта должны быть- одинаковы критерии подобия. Однако в большинстве случаев при этом возникают взаимоисключающие требования. В частности, в газовой- динамике основными определяющими критериями являются числа Маха и Рейнольдса. При работе с моделью при уменьшении характерного размера число Re снижается и для того, чтобы обеспечить его неизменность необходимо либо увеличить скорость потока, либо изменить характеристики рабочего тела. Но изменение этих параметров может повлечь изменение числа Маха. Практически, это делает невозможным физическое моделирование в интересуемом диапазоне безразмерных параметров [104,105]. В ряде случаев дополнительно требуется обеспечить равенство абсолютных давлений и температур, что возможно лишь при выполнении модели в натуральную величину. Все это свидетельствует о больших технических сложностях и дороговизне эксперимента.
Имеются и другие недостатки натурного и модельного экспериментов: — полученные данные имеют ограниченный характер; — экстремальные условия реальных процессов в ракетной технике диктуют особые условия к аппаратному обеспечению;: — исследователь имеет дело не с самим объектом,.а с регистрирующими сигналами; — модельный эксперимент бывает сильно упрощенным [99]; — регистрация новых параметров может потребовать радикального изменёнияустановки; — высокая-опасность проведения и дороговизна; — невозможность создания некоторых критических режимов и экстремальных условий; эксплуатации; Численное моделирование применяется; там, где физическая картина: изучаемого явления- требует дополнительных уточнений, где неизвестен внутренний механизм взаимодействия [12;l3j31,58;67,68,83i79,97,125,131].
Ирш численном, моделировании; задач,, где физическая постановка до конца не ясна, в процессе вычислительного эксперимента (ВЭ) происходит, по существу, уточнение исходной» физической модели;. Кроме того, появляется возможность без априорных знаний о структуре решения проводить вычисления? без предварительного. , выделения особенностей и получать результаты, адекватные физике процесса [12,13].
На современном этапе развития техники уровень задачу выдвигаемых практикой создания и отработки изделий, является- чрезвычайно высоким. Вопросы идентификации и- учета газогидродинамических процессов, несомненно, относятся к классу достаточно сложных проблем, требующих в теоретических исследованиях реализации нелинейных, многомерных постановок. В настоящее время; в условиях стремительного развития средств вычислительной техники, появилась возможность с помощью электронно 46 вычислительной машины (ЭВМ) реализовать самые сложные математические модели, исследовать их в максимально приближенных к реальным условиям, включая экстремальные, проводить выявление новых, априори не предполагаемых, свойств объектов исследования [58,43,44,46,66,69].
Совокупность принципов математического моделирования как метода исследования сложных явлений и процессов, средств прикладной и вычислительной математики как теоретической базы исследований и ЭВМ как технической вычислительной базы исследования получила название вычислительный эксперимент [58,6,98-100].
В широком смысле вычислительный эксперимент - новая технология-научных исследований [13,79].
Вычислительный эксперимент в узком смысле — это создание математических моделей исследуемого объекта, в данном случае газогидродинамических процессов с помощью ЭВМ. Основными звеньями ВЭ является «триада» — «модель-алгоритм-программа».
По областям применения и видам используемых моделей выделяют три типа вычислительного- эксперимента: поисковый5, оптимизационный и диагностический. Первый тип связан с построением математической модели и проведении расчетов при изменении тех или иных параметров. В результате проведения поискового эксперимента дается описание наблюдаемых явлений, прогнозируется поведение объекта, в частности таких, что не могут быть реализованы в рамках натурного эксперимента.
Расчет газогидродинамических характеристик потока в канале переменного сечения газохода при непрогнозируемой задержке подачи воды
Проведем вычислительные эксперименты изменяя массовый секундный расход воды т при постоянном массовом секундном расходе горячих газов тТГ [49]. В данных вычислительных экспериментах вода также подавалась спустя =0.37с после начала работы энергетической установки. Задачами ЭКСПерИМеНТОВ ЯВЛЯЮТСЯ Определение УСЛОВИЙ СНИЖеНИЯ СКОРОСТИ. ПОТОКа И достижение требуемого значениЯ Температуры в выходном сечении газохода. Исходные данные приведены в табл. 3.2.
Критерием достижения требуемых режимов работы установки является температура потока на выходе из газохода V. Ее относительное значение не должно превышать 0.133. В табл. 3.3 приведены результаты вычислительных экспериментов при определении температуры потока в выходном сечении газохода.
Анализируя рис. 3.13, можно сделать следующий вывод, что температура в выходном сечении газохода достигает допустимого значения (0.133) при значениях kj=7, 10. Время достижения этой температуры увеличивается при увеличении массового секундного расхода воды. Данный эффект можно объяснить тем, что при увеличении расхода воды через форсунки уменьшается пропускная способность в канале переменного сечения газохода и поток, двигаясь к выходу замедляется. Если рассмотреть результат при к,; = 0, то, очевидно, что температура на выходе не снижается до допустимых значений и остается близкой к постоянному значению 0.359, что является недопустимым. На рис. 3.14 показано, что скорость потока в выходном сечении газохода при увеличении массового расхода воды уменьшается.
Вычислительный эксперимент позволяет определить значения полного давления на границах расчетной области при изменении массового секундного расхода воды (рис. 3.15). Результаты получены для момента времени, при котором достигается требуемая температура на выходе из газохода, /Р" . Анализируя полученные данные, можно сказать, что давление потока на границах расчетной области, при изменении массового секундного расхода воды, остается практически неизменным и не превышает допустимых значений.
По результатам проведенных вычислительных экспериментов можно сделать вывод, что при задержке подачи воды в канал газохода на 0.37с с момента начала работы установки, картина распределения параметров системы изменяется (относительно условия одновременной подачи воды и горячего газа). Отличия наблюдаются в характере изменения температуры и скорости на выходе из газохода. Вместе с тем, при непрогнозируемой задержке подачи воды до момента установления эжекции также наблюдается достижение требуемых режимов работы газохода.
В ходе проведения вычислительных экспериментов обнаружилось, что в свободном объеме канала переменного сечения газохода на этапе запуска , установки возникают волновые процессы. Этап запуска является наиболее опасным с точки зрения динамики процессов, так как при этом возникает область повышенного давления. Результаты расчета волновых процессов в канале переменного сечения газохода опубликованы автором в «работах [47,50,51]. Расчет проводился при условии одновременной подачи воды и горячих газов в канал газохода установки.
Во время движения потока горячих газов перед ним образуется область повышенного давления. Картина изменения давления и плотности вдоль оси канала газохода, в момент начала формирования потока газа на выходе из установки, показана на рис. 3.16. Движущиеся со стороны входа в газоход горячие газы вытесняют холодный газ, заполняющий канал установки до начала ее работы. При этом повышается плотность вытесняемого газа и формируется «холодная пробка», . которая приводит к некоторому повышению давления в вытесняющем потоке. Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод о том, что на начальный момент работы, в заданном диапазоне изменения массовой скорости подачи горячего газа ттт (78кг/см тгг 178кг/см ), давление в свободном объеме не превышает допустимых значений (202000Па) [76].
С течением времени при постоянном значении kt давление, плотность, скорость потока в «холодной пробке» в канале газохода уменьшаются. С уменьшением kj значения давления, плотности и скорости потока в «холодной пробке» увеличиваются (табл.3.4). Можно предположить, что существуют такие к;, при которых возникают области, где давление превышает допустимые значения, и эксплуатация газохода в таких условиях недопустима. Превышение допустимых значений давлений в свободном объеме газохода в рассматриваемом диапазоне изменения параметров не обнаружено.
Достижение требуемого температурного режима на выходе из газохода обеспечивается достаточным соотношением массовых секундных расходов воды и горячих газов. Кроме того, подача воды предотвращает перегрев стенок газохода. В ходе вычислительных экспериментов были получены значения температуры потока вблизи стенки газохода [82]. В экспериментах принималось, что массовая скорость горячего газа равна 178кг/с-м , соотношение массовых секундных расходов горячего газа и воды &г=2ч-10. Расчет проводился при условии одновременной подачи воды и горячих газов в канал газохода установки. Температура подачи горячих газов оставалась неизменной. Точки замера были выбраны на расстоянии 0.2м и 0.05м от стенок модельного газохода. Размещение точек замера (19 штук) по секциям газохода показано на рис. 3.17. Значения определяемых параметров в контрольных точках приведены в табл. 3.5, 3.6.
На основе полученных результатов построены графики изменения относительной температуры потока вблизи стенок вдоль всего газохода с учетом особенностей каждой секции (рис. 3.18, 3.19, 3.20). Показано, что при увеличении массового секундного расхода воды наблюдается снижение температуры по секциям. При значениях kj от 2 до 3 значение температуры вдоль газохода имеет более высокие значения (относительное значение температуры потока более 0.133). По мере удаления точек от стенок газохода вглубь потока к оси симметрии канала происходит увеличение температуры смеси. На расстоянии 0.2м от стенки максимальное значение относительной температуры потока составляет 0.162, а на расстоянии 0.05м — 0.108.
Инженерная методика выбора количества и расположения форсунок при построении твердотельной модели канала переменного сечения газохода
Многопараметрическая область показывает, что для отвода и охлаждения горячих газов энергетических установок, массовая скорость которых более 78кг/с-м2 необходимо в 3.25-10 раз больше подавать воды, то есть при 3.25 / 10 будет осуществляться достижение требуемого температурного режима на выходе из газохода. При этом с увеличением kj происходит снижение скорости потока на выходе из газохода, что обеспечивает более эффективную очистку парогазовой смеси от вредных компонентов.
Задается массовый секундный расход горячего газа энергетической установки. По оси ОХ отсчитывается соответствующее значение. Из точки, полученной на оси ОХ, согласно п. 1 данной методики, необходимо параллельно оси OY переместиться до пересечения- с линией а-а, для определения минимального значения &;mjn (отсчитывается по оси OY).
Полученное значение &/min обеспечивает допустимый по температуре режим работы газохода (относительное значение температуры в выходном сечении V не должно превышать 0.133).
Проецирование многопараметрической области на плоскость XOY позволяет построить удобную номограмму для поиска значений kj m}n, обеспечивающих минимальный расход воды, достаточный для охлаждения горячего газа на выходе из газохода до Г ЮЛЗЗ (рис.4.13). Значения kim[n лежат на линии с-с (см. рис. 4.13) и соответствуют конкретным значениям ттт. При kj 3.25 значения относительной температуры потока на выходе из газохода Т превышают допустимые [42,85].
Для обеспечения надежности работы газохода можно задавать kj=kjmin-(l + kT), где кт — коэффициент запаса по температуре, который выбирается в диапазоне от 0 до 0.4. Значение кт выбирается в зависимости от необходимого запаса по температуре. По мере удаления значения kj от kj „уд, по оси ОХ, можно уменьшить значение кт. По мере приближения к kj =10, учитывать кт нет необходимости, так как значение температуры потока на выходе из газохода значительно меньше допустимого.
Номограмма для определения минимального соотношения массовых секундных расходов воды и горячего газа для достижения Г =0.133 - порядок определения kj ицП по известному значению тгг Номограмма позволяет определить величину температуры на выходе из газохода V при известных значениях kj и массовой скорости горячего газа (рис. 4.14).
Номограмма для определения температуры потока на выходе из газохода - порядок определения Т по известным значениям kj и тгг 3. Проецирование многопараметрической области на плоскость XOY позволяет построить удобную номограмму для поиска значений kj п, обеспечивающих минимальный расход воды, достаточный для предотвращения нагрева стенки газохода до Г" =0.205 (рис.4.15). Значения /min лежат на линии b-b (см. рис. 4.15) и соответствуют конкретным значениям тгг. При kj 0.56 значения относительной температуры потока вблизи стенки газохода 71" превышают допустимые.
Инженерная методика определения настроек газохода Полученная многопараметрическая область позволяет в ходе подготовки к физическому эксперименту по отводу горячих газов определить параметры настроек газохода и исключить недопустимые режимы его работы [42,45]. После того, как с помощью многопараметрической области допустимой работы газохода и номограммы определения температуры потока на выходе из газохода, получено требуемое соотношение массовых секундных расходов воды и горячего газа ,, необходимо выполнить настройки газохода по расходу воды для каждого пояса пп и каждой секции пс газохода. На рис.
Необходимо осуществить переход от массовой скорости горячего газа тгг к массовому секундному расходу горячего газа Пг . Далее, согласно соотношению 4.2., для энергетических установок с вышеприведенными массовыми скоростями горячего газа необходимо определить значения минимального общего расхода воды. Полученные результаты, с использованием соотношения 4.1., позволяют сформировать настройки газохода по распределению воды по поясам и секциям газохода (рис. 4.18) в зависимости от рекомендованного минимального соотношения массовых секундных расходов воды и горячего газа kjm\n (kjm\n определяется по рис. 4.13), массовой скорости горячего газа, при условии достижения относительного значения температуры потока на выходе из газохода (Г =0.133) [40,85].
На рис. 4.19 показано распределение расхода воды по поясам и по секциям газохода (при 3.25 fy 10), которое позволяет применить одинаковые настройки газохода по впрыску воды по поясам и секциям при проведении серии работ с энергетическими установками, имеющими различные массовые скорости подачи горячего газа тГГ. При этом значение температуры потока на выходе из газохода для всех энергетических установок не будет превышать допустимое.
