Содержание к диссертации
Введение
ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 7
1.1. Основные аэродинамические характеристики вихревых струй II
1.2. Способы управления аэроструктурой вихревой струи и факела 14
1.3. Постановка задачи исследования 21
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИИ ВИХРЕВЫХ СТРУЙ 29
2.1. Описание экспериментального стенда 29
2.2. Методика измерений осре7Шенных аэродинамических характеристик струй 32
2.3. Оценка погрешности измерения аэродинамических характеристик вихревой струи 33
2.4. Исследование начальных условий формирования струй 36
2.5. Результаты экспериментальных исследований течения струй в свободном пространстве 46
2.6. Анализ экспериментальных результатов 74
3. РАСЧЕТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ АСИММЕТРИЧНЫХ ВИХРЕВЫХСТРУЙ 88
3.1. Описание расчетной математической модели 89
3.2. Описание программы расчета модельной задачи на
ЭВМ 95
3.3. Результаты расчетных исследований и их анализ 99
4. ПОЛУПРОМЫШЛЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ АСИММЕТРИЧНЫХ ГАЗОВЫХ УЗЛОВ 112
4.1. Исследование вихревого газового факела на огневой модели топки 112
4.2. Испытания горелок с косым срезом на котле Б-25/І5ГМ 120
5. ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ ГОРЕЛОК С КОСЫМ СРЕЗОМ И ВЫРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ИХ ПРИМЕНЕНИЮ 127
5.1. Методика аэродинамических исследований топочно-горелочного устройства котла в изотермических и огневых условиях 134
5.2. Характер развития одиночной асимметричной струи в топочной камере 135
5.3. Характер развития одиночного асимметричного факела в топочной камере 141
5.4. Аэродинамика топочной камеры в плоскости осей нижних горелок 147
5.5. Методика теплотехнических испытаний котла 149
5.6. Результаты теплотехнических испытаний котла при сжигании газа 153
5.7. Исследование горелок с косым срезом при сжигании мазута 157
5.8. Выработка рекомендаций по проектированию и применению горелок с косым срезом 168
ВЫВОДЫ 172
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 180
ПРИЛОЖЕНИЕ I 193
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
- Основные аэродинамические характеристики вихревых струй
- Описание экспериментального стенда
- Описание расчетной математической модели
- Исследование вихревого газового факела на огневой модели топки
- Методика аэродинамических исследований топочно-горелочного устройства котла в изотермических и огневых условиях
Основные аэродинамические характеристики вихревых струй
Классическая теория плоских изотермических струй идеальной жидкости была разработана Л.И.Седовым /П/ и л.М.Гуревичем /12/. Теория плоских и осесимметричных струй вязкой жидкости изложена в монографиях Г.Н.Абрамовича /13/,Л.А.Вулиса и В.П.Кашкарова /14/, А.С.Гиневского /15/, Бай-ши-и /16/.
Основы теории закрученной струи были заложены Л.Г.Лойцянским /17/. Стационарное осесимметричное истечение жидкости из точечного источника Л.Г.Лойцянским рассматривал на основе уравнений пограничного слоя, и решение находилось с помощью асимптотических разложений скорости и давления в ряды по отрицательным степеням расстояния от источника. Полученное решение для ламинарной струи было распространено на случай турбулентного течения. Последующие теоретические работы / 15,19,20,21/ позволили уточнить решение задачи и обобщить на случай спутного внешнего потока.
Все указанные решения оказываются справедливыми для слабо 12 закрученных струи, бпльпозакручепные струи,характеризующиеся знакопеременностыо осевой скорости и значительным расширением в начальном участке,не поддаются пока теоретическому анализу.Поэтому основную количественную информацию получают экспериментально, а методы приближенных решений /22,23,24,25/ существенно опираются на опытные данные.
Аэроструктуру одиночной вихревой струи определяют поля скоростей и давлений. Обычно вектор полной (или актуальной /26/) скорости раскладывается на аксиальную (осевую) компоненту U», нормальную секущей плоскости, радиальнуюТГи тангенциальнуюНГком-поненты, лежащие в плоскости сечения и направленные СООТЕЄТСТ -венно по радиусу и перпендикулярно к нему.
По характеру развития струи выделяют два режима течения: сомкнутый и разомкнутый /27,28/. При сомкнутом режиме поток на начальном участке расширяется, а затем смыкается образуя замкнутую полость внутренней рециркуляции; при разомкнутом - развертывается в плоскости,перпендикулярной оси горелки.
При сравнительном анализе аэроструктуры вихревой струи удобно выделить такие характеристики,как линейные,скоростные,расходные и энергетические.
Линейные характеристики определяют размеры как струи в целом,так и зоны рециркуляции (если она есть), то есть описывают поперечные границы потока. Зо многих работах в качестве меры раскрытия вихревой струи используется угол расширения на начальном участке.
К скоростным характеристикам можно отнести скоростную неравномерность максимальных скоростей в данном сечении струи,а также дальнобойность струи.
Описание экспериментального стенда
Для исследования аэродинамических характеристик вихревых воздушных струй был разработан изотермический стенд,принципиальная схема которого показана на рисунке 2. ±.
Стенд состоял из вентилятора ОТІЇ—23 производительностью
2,3 м3/с (ІОі ОО м3/час) и папером 10,0 кПа (1000 кгс/м2) .еаборно-го устройства с задвижкой для регулирования расхода,воздуховода, к которому подсоединялся цилиндрический ресивер,обеспечивающий выш;::нивание поля скоростей пеиед моделью гооелкн,общий вид кото-рои поецставден на рисунке 2.2.
1-ю де ль горелки состояла из центрального и периферийного кольцевых каналов первичного и вторичного воздуха, в которых устанавливались аксиальные регистры с плоскими неподвижными лопатками. С целью изменения интенсивности крутки при исследованиях регистры для обоих каналов выполнены съемными с углами установки лопаток 30,45 и бОо
Ддол оси модели перемещалась конусная заслонка,позволяющая варьировать распределение воздуха по каналам. 3 правом крайнем положении заслонка полностью перекрывает центральный канал.
Выходные участки каналов снабжены съемными цилиндрическими соплами с углами среза 0,15, 30 и .
Расход воздуха па модель горелки определялся при помощи трубки Праидтля,установленной в тарированном сечении воздуховода.Перепад давлений измерялся микроманометром лііН-250. Статическое давление воздуха перед горелкой,служившеє контрольным параметром постоянства рао:ода,измерялось U-образным водяним дифманометром.
Описание расчетной математической модели
Экспериментальные исследования показали,что асимметричные вихревые струи относятся к классу так называемых произвольных трехмерных течений /90/. Это один из наиболее сложных гидродинамических процессов,тяжело поддающийся вычислительным методам. Зависимость параметров жидкости (газа) от трех независимых пространственных переменных не позволяет "свернуть" систему уравнений в двумерную,как это выполняется для осесимметричных течений в цилиндрический или сферической системах координат. Сильное расширение и наличие возвратных токов не дает также возможности использовать известные упрощения в решении задач пограничного слоя.
В настоящее время не существует общих методов решения трехмерных задач гидроаэродинамики. Для сверхзвуковых течений,когда уравнения Навье-Стокса приобретают свойства уравнений гиперболического типа, пространственные задачи могут быть решены численным методом "распада разрыва", разработанного под руководством С.К.Годунова /91/.Существенно дозвуковые течения, описываемые уравнениями эллиптического типа, не имеют аналогичных методов. Главное препятствие этому -недостаточный объем памяти и быстродействия ЭВМ, которые необходимы для существующих алгоритмов решения этих задач.
В связи с невозможностью решения задачи,адекватно описывающей пространственное несимметричное течение,была поставлена приближенная двумерная математическая модель для изучения характера течения в плоскости,проходящей через ось асимметричной струи. В
этой модели объемная турбулентная струя заменялась плоской квазиламинарной, а для имитации вращательного движения вводилось уравнение переноса тангенциальных скоростей. Кроме того,в уравнение распределения вихря включался дооавочныи член , который ии i\ терпретнровался как дополнительная внешняя центробежная сила.
Приведенный радиус R принимался постоянным и его численное значение подбиралось в процессе расчетов.
Расчетные исследования были направлены на получение приемлемых решений для функции токаЧ у). Как известно,семейство линий Ч х,у) = coast является совокупностью линий тока и указывает для стационарных условии траекторию движения "частиц" жидкости.Поэтому линии тока должны наиболее отчетливо описывать общую картину течения струй.
Кроме того, анализ вычислительных методов гидродинамики/89/, показал,что при численном интегрировании уравнений Навье-Огокса лучшие результаты получаются для вихря и функции тока,чем для простейших физических переменных-скорости и давления.
Исследование вихревого газового факела на огневой модели топки
Основным методом качественного изучения факела являлось его фотографирование с последующим нанесением контуров границ на ко-ординатную сетку.
Огневой стенд,принципиальная схема которого показана на рисунке 4.I.,представляет собой камеру размерами 1000 х 500 х JDOOMM, выполненную из шамотного кирпича. Предварительные расчеты показали, что при этом отвод тепла через стенки должен достигать до 3D-Ъ% от всего подведенного тепла. Таким образом обеспечивается достаточно интенсивное охлаждение факела без установки дополнительных! поверхностей нагреЕа.
Камера горения в верхней своей части переходит в горизонтальный газоход сечением 250 х 250 мм, соединенный с вытяжным газоходом.
На передней стене камеры горения расположена газовая горелка с воздушным аксиальным завихрителем с углом наклона лопаток 4 5Р и центральной схемой раздачи газа перпендикулярно оси горелки. Горелка показана на рисунке 4.2. Размеры и расположение газовых отверстий определялись из условия равномерного распределения.
Методика аэродинамических исследований топочно-горелочного устройства котла в изотермических и огневых условиях
Аэродинамические измерения выполнялись в плоскости осей нижних горелок с реконструированными амбразурами. Дополнительно, с целЬ Э изучения условий течения в канале горелки,косой срез цилиндрической амбтхазутхы заменялся на ПРЯМОЙ.
Расход воздуха па горелку был одинаковым в изотермических и огневых условиях и соответствовал расходу для поминальной нагрузки котла при работе на газе и коэффициенте избытка в горелке сОг&і . 3 этом случае число Рейнодьдса,рассчитанное для струп в цилиндрическом канале, равнялось 3.50 . І0 .
Расход воздуха на горелку определялся при помощи трубки Прандтля,установленной в тарированном сечении подводящих воздушных патрубков.
Разрешение на выходе из топки во всех опытах поддерживалось равным 19,6 Па - 24,5 Па С 2-2,5 мм вод.ст.).
Для исследований аэродинамических полей в изотермических условиях применялся цилиндрический трехканадьный зонд с диаметром измерительной части 10 мм. для определения угла поворота зонда использовался съемный лимб ЦКТМ с ценой деления 30 .
3 огневых условиях применялся водоохла;ддаеный цилиндрический зонд с диаметром измерительной части і З мм. Угол поворота зонда определялся с точностью і0.
Згоиичпыми пшбо пами служили мпкоомапометэы . НлН-240.
Измерения проводились в сечениях,перпендикулярных геометрической оси горелок.
Исследования одиночной струп и факеле на котле выполнялись при отключении остальных горелок.
.методика обработки измерений была в основном такой же,как и для исследований модели горелки на изотермическом стенде. Отли 135 чиє имелось только із способе представления Относительных CKOpO C-тей no сечениям,что указано по ходу дальнейшего изложения.
5.2.Характер развития одиночной асимметричной . стеуи в топочной камспе
Исследование изотермической струп,Нормируемой конкретним гор-г)слочным устройством с косим слезам, в данном случае оассматаива-лось как следующий отап моделирования реального процесса.
При отом изучалось влияние на аэродинамику струп изменения масштаба горелки,а так;;:с трансформации аороструктуры под воздейст-в;іем потенциального статического поля разрешении в топочной камере, образованного тягой дымососа.
