Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы по исследованию процессов турбулентного распространения пламени 7
1.1. Теория распространения ламинарного пламени - 8
1.2. Горение в турбулентном потоке -10 -
1.3. Модель явления -17 -
1.4. Критерий, характеризующий механизм горения - 23 -
1.5. Моделирование камер сгорания теорией гомогенного реактора..- 25 -
2. Исследование нормальной скорости горения гомогенных топливовоздушных смесей 27
2.1. Определение UH опытным путем 28 -
2.1.1. Метод трубок - 29 -
2.1.2. Метод бомбы постоянного давления 30
2.1.3.Метод горелки - 32 -
2.2. Экспериментальная установка и порядок проведения опытов -33 -
2.3. Методика обработки результатов измерений - 37 -
2.4.Теоретическое определение нормальной скорости горения - 39 -
2.5. Определение температуры горения - 41 -
2.6.Факторы, влияющие на скорость распространения ламинарного пламени -45-
2.6.1.Начальная температура смеси - 45 -
2.6.2. Влияние давления -46-
2.6.3. Влияние балластирования - 47 -
2.7. Погрешность обработки опытных данных - 49 -
3. Исследование турбулентного распространения пламени - 52
3.1. Определение иг опытным путем -55 -
3.1.1. Метод обращенного конуса - 56 -
3.1.2. Метод прямого конуса - 57 -
3.2. Описание экспериментальной установки - 59 -
3.3. Порядок проведения опытов - 61 -
3.4. Методика обработки результатов измерений - 63 -
3.5. Анализ результатов исследований - 66 -
3.6. Влияние автотурбулизации на турбулентную скорость распространения пламени г 68 -
4. Одномерная модель камеры сгорания на основе теории турбулентного горения - 73 -
4,1 Определение параметров турбулентного потока в камерах сгорания .73
4.2. Модель сгорания топлива на основе "поверхностного" механизма распространения пламени 77
4.2.1. Влияние коэффициента избытка воздуха - 87 -
4.2.2. Влияние конструкции камеры сгорания - 88 -
Заключение -91 -
Выводы по работе: - 93 -
Приложение -94-
Список литературы -115 -
- Теория распространения ламинарного пламени
- Определение UH опытным путем
- Определение иг опытным путем
- Определение параметров турбулентного потока в камерах сгорания
Введение к работе
Актуальность. Углеводородные топлива еще долгое время будут оставаться основным источником энергии для тепловых машин и энергетических установок различного назначения. Поэтому задача повышения эффективности сжигания углеводородных топлив в настоящее время является одной из наиболее актуальных проблем совершенствования тепловых двигателей.
В газотурбинных двигателях (ГТД) процесс сгорания топлива протекает в турбулентном потоке. Совместное воздействие химических и гидродинамических факторов в турбулентном потоке оказывает значительное влияние на процесс распространения пламени, что обеспечивает существенную интенсификацию процессов горения.
Вопросам исследования турбулентного горения посвящены труды ряда ученых – Г.Дамкёллера, К.И.Шелкина, Е.С.Щетинкова, А.В.Талантова и др. Ими созданы основы фундаментальной теории турбулентного горения, используемой при расчетах процессов горения в потоке, в частности, в прямоточных камерах сгорания ГТД. Однако применение данной теории к расчету основных камер сгорания (КС) требует дополнительных исследований, что обусловлено наличием неоднородности сжигаемых топливовоздушных смесей. Применение теории турбулентного горения при моделировании рабочих процессов в КС позволяет определить влияние не только кинетических факторов, но и гидродинамических условий, что значительно расширяет возможности прогнозирования ее характеристик.
Целью работы является:
– определение основных характеристик турбулентного распространения пламени применительно к условиям камер сгорания ГТД.
– разработка на основе теории турбулентного горения методики расчета основных камер сгорания ГТД.
Задачи исследования:
-
Проведение экспериментов по измерению нормальной и турбулентной скоростей распространения пламени.
-
Определение эмпирических уравнений для расчета нормальной и турбулентной скоростей распространения пламени в зависимости от исходных параметров.
-
Разработка расчетной модели камеры сгорания на основе теории турбулентного распространения пламени.
-
Проведение расчетов характеристик КС на основе разработанной модели.
Научная новизна работы состоит в том, что:
-
Получена эмпирическая зависимость для расчета нормальной скорости распространения пламени UН и проведено сопоставление с результатами расчета по тепловой теории Зельдовича.
-
Экспериментально установлено влияние автотурбулизации на турбулентную скорость распространения пламени.
-
Найдена эмпирическая зависимость турбулентной скорости распространения пламени от состава смеси и степени подогрева.
-
На основе теории турбулентного горения разработаны физическая и математическая модели КС.
Практическая ценность состоит в том что:
– получены расчетные зависимости для определения нормальной и турбулентной скорости горения;
– создана методика расчета характеристик камеры сгорания ГТД;
– проведены расчеты характеристик камеры сгорания ГТД.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Результаты экспериментального исследования нормальной и турбулентной скоростей распространения пламени.
-
Результаты экспериментального исследования влияния автотурбулизации пламени на турбулентную скорость горения.
-
Методика расчета характеристик камеры сгорания ГТД на основе теории турбулентного горения.
Степень достоверности полученных результатов. Достоверность полученных результатов определяется применением стандартных апробированных методов измерений, тарировкой и метрологической проверкой используемых приборов, обобщением и сравнением полученных результатов с опубликованными результатами других авторов и подтверждается удовлетворительной воспроизводимостью опытных данных.
Апробация работы: Основные результаты диссертационной работы и отдельные ее части докладывались на:
– Международном конгрессе по двигателестроению (Харьков, ХАИ, 2003 г.);
– Международном симпозиуме по неравновесным процессам и атмосферным явлениям (Сочи, Институт химической физики АН РФ, ЦИАМ, 2005 г.);
– Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (Самара, СГАУ, 2006 г.);
– научно-технической конференции (Казань, КГТУ, 2004 г.).
Личный вклад автора. Автор непосредственно участвовал в проведении экспериментальных исследований, обработке, анализе и обобщении полученных результатов, в разработке методов и программ расчета.
Публикации. По теме диссертации опубликовано семь работ.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения.
Теория распространения ламинарного пламени
Теоретическое рассмотрение процесса распространения пламени требует привлечения уравнений газовой динамики в совокупности с уравнениями для диффузии и скорости химической реакции. Они включают: 1) уравнение состояния, обычно для идеального газа, 2) уравнение движения, 3) уравнение сохранения энергии и 4) уравнение неразрывности с членами, обусловленными диффузией и химической кинетикой, для каждого химического компонента. Среди разработанных к настоящему времени теорий распространения ламинарного пламени имеются: 1) чисто тепловые теории (распространение лимитируется теплопередачей); 2) диффузионные теории (распространение лимитируется переносом вещества, в частности диффузией активных центров, инициирующих цепные реакции); 3), диффузионно-тепловые теории.
Первая теория распространения пламени была предложена Маляром и Ле Шателье. Она целиком базировалась на тепловой концепции. Предполагалось, что зона пламени находится при постоянном давлении и состоит из двух частей, обозначаемых как зона 1 и зона 2. В зоне / смесь нагревается от своей начальной температуры Т0 до температуры воспламенения . Эта зона может быть названа зоной подогрева. В зоне 2, зоне реакции, образуются продукты сгорания с температурой Тг Точка воспламенения отделяет зону подогрева от зоны реакции. Из рассмотрения процесса теплообмена между зонами подогрева и реакции получается выражение для скорости распространения ламинарного пламени.
Определение UH опытным путем
Известны несколько способов определения UH опытным путем[12]. В первых из них использовались явления проскока и отрыва. При этом предполагалось, что U„ равна такой скорости истечения горючей смеси небольшого отверстия в сосуде, при которой пламя проскакивало внутрь сосуда (измерение Бунзена) или срывалось с отверстия в стенке сосуда и уносилось потоком смеси (измерения Фонсека). Полученные этими способами значения UH превышали, примерно, на два порядка значения, определенные позже другими методами. Это связано с тем, что условия проскока и срыва пламени зависят от многих факторов как режимных, так и конструктивных и не дают основания для отождествления скорости потока горючей смеси со скоростью распространения пламени.
В основу разработанных впоследствии методов определения и„ был положен постулат Гуи, согласно которому пламя над горелкой принимает такую форму, при которой количество горючей смеси, воспламеняемое на единице ее поверхности, остается постоянным, т.е. (Малляр и Ле-Шателье). По этому методу стеклянная прозрачная трубка с одним открытым концом (рис.2.1) заполняется однородной гомогенной горючей смесью. Затем поджигается каким-нибудь источником зажигания (ИЗ) у открытого конца трубки (рис. 2.1а) или у закрытого (рис.2.16). Измеряется время (t) прохождения фронтом воспламенения заданного расстояния (L) между двумя регистрирующими приборами (РП). При этом используют раз личные способы регистрации перемещения фронта воспламенения, например, электрические, пневматический, фотографический и т.п.
Средняя величина скорости распространения пламени при этом определяется как и«=Ут которая еще не является фундаментальной скоростью, т.к. перемещающийся вдоль трубки фронт воспламенения никогда не имеет форму плоскости, перпендикулярной к оси трубки. Из-за охлаждающего влияния стенок трубки, разности давлений перед фронтом воспламенения и за ним при горении, конвекции площадь поверхности фронта воспламенения в несколько раз превышает площадь поперечного сечения трубок. Поэтому при использовании этого метода для определения UH в соответствии с постулатом Гуи, во-первых, необходимо дополнительно каким-нибудь способом (например, скоростной кинофотографией) определить действительную поверхность фронта воспламенения и ее площадь. Во-вторых, при поджигании смеси у закрытого конца, необходим учет передвижения смеси за счет эффекта расширения продуктов сгорания при горении.
Определение иг опытным путем
При определении скорости распространения пламени (фронта воспламенения) в турбулентном потоке опытным путем используют в основном два метода: метод обращенного конуса с поджиганием в центре потока горючей смеси и прямого конуса с поджиганием по периферии потока. В том и другом методах для определения Ur используется принцип Гуи-Михельсона, заимствованный из области распространения пламени при ламинарном режиме течения горючей смеси. При этом применение этого принципа и законов, из него вытекающих, является несколько формальным, хотя и удобным техническим приемом, позволяющим определить скорость распространения некоторой видимой поверхности (фронта воспламенения) горючей смеси.
Заранее подготовленная горючая смесь (рис. 3.2.а) поджигается точечным источником зажигания (ИЗ) на выходе из трубки в центре потока. При этом образуется стационарный факел пламени с фронтом воспламенения в виде конуса с криволинейной боковой поверхностью и вершиной у источника зажигания. Для определения игэтм методом необходимо измерить или определить скорость горючей смеси (скорость потока в канале) Wcu и измерить угол (р между осью потока горючей смеси и положением фронта воспламенения в какой-нибудь его точке. Тем самым определяется как местная величина их в точке фронта, где измерялся угол- р, так и средняя по всему фронту воспламенения, меняя точку поверхности измерения угла 5. Угол наклона фронта воспламенения к направлению потока смеси р в соответствии с принципом Гуи-Михельсона определяется законом синусов.
Определение параметров турбулентного потока в камерах сгорания
Для решения данной задачи представляется оправданным разделение всего объема жаровой трубы на п зон горения, в пределах которых все па -73 раметры смеси, состав, температура, давление меняются в соответствии с законами тепловыделения. По мере сгорания смеси в пределах каждой зоны возрастает температура, меняется скорость и остается некоторое количество несгоревшего топлива и воздуха на выходе из рассматриваемой зоны. Кроме того, особенностью сгорания неоднородной смеси в условиях жаровой трубы является то, что одновременно с процессами реагирования смеси происходит подмешивание воздуха, поступающего из боковых отверстий. Согласно работе Мингазова Б.Г. [16], для получения расчетных зависимостей необходимо принять ряд допущений:
1. Весь объем жаровой трубы условно разделен на п зон, в которых происходит горение однородной смеси.
2. Параметры газа на входе каждой зоны являются выходными параметрами предыдущей зоны.
3. Состав смеси в каждой зоне формируется из остаточного воздуха и топлива предыдущей зоны и воздуха, поступающего из отверстий жаровой трубы в данном сечении.
4. В каждой зоне происходит сгорание испарившегося и смешавшегося с воздухом топлива.
На рис. 4.1. приведена схема реализации данной модели КС. Как видно из приведенной схемы, на входе в каждую зону определяются следующие параметры: расход воздуха GBi, жидкого топлива GT/, парового топлива Gnj, продуктов сгорания Gnc, полнота сгорания rj,-, температура Тш и скорость потока WCM, степень испарения топлива zt и смешения вторичного воздуха mr.
Изменение указанных параметров в каждой зоне можно определить с помощью уравнений баланса вещества, тепла, количества движения.
