Введение к работе
Актуальность проблемы.
Теплообмен излучением играет огромную роль в природе и различных областях промышленности и современных технологий. Исследование теплового излучения имеет большое практическое значение, т.к. доля лучистого теплообмена в общем теплообмене при работе различных энергетических установок составляет 20-40%. В некоторых случаях доля теплового излучения может достигать до 80%.
В продуктах сгорания топлива в промышленных и энергетических установках содержится большое количество зольных частиц и оксидов. Часть этих веществ осаждается в топках и газоходах котлов, что приводит к перегреву и быстрому износу деталей и механизмов. Другая часть выбрасывается в атмосферу, загрязняя ее и оказывая негативное экологической воздействие на окружающую среду. С развитием и изменением промышленного производства, с появлением новых установок меняются и продукты сгорания, отходы и выбросы этих установок. Поэтому комплексное исследование радиационных характеристик и характеристик излучения в различных энергетических установках – одно из необходимых и важнейших условий при их проектировании, разработке и эксплуатации.
Исследования в данной области проводились в Институте физики АН Беларуси, МГУ, МГТУ им. Н.Э. Баумана, Санкт-Петербургском государственном университете, Институте теплофизики СО РАН, Институте прикладной математики РАН, Вычислительном центре СО РАН, Казанском государственном техническом университете им. А.Н. Туполева и т.д. Важные результаты по исследованию излучения были получены в работах В.Е. Алемасова, Л.П. Бахир, В.А. Кузьмина, С.Т. Суржикова, В.А. Каменщикова, К.Б. Панфиловича, В.Я. Клабукова, Адамса, Нельсона, Ван де Хюлста, М.А. Таймарова, Л.А. Домбровского, А.Б. Шигапова и других советских и зарубежных исследователей.
Большинство существующих методик исследований теплового излучения посвящено решению отдельных конкретных задач. Расчетных методик, которые в комплексе позволяют учитывать реально протекающие процессы и решать одновременно множество задач теплового излучения, практически нет.
Математическое моделирование теплового излучения, оптических свойств и радиационных характеристик гетерогенных продуктов сгорания позволяет решать множество проблем, возникающих при проектировании и работе различных энергетических установок, в обратных задачах теплообмена, в метрологических и экологических исследованиях, а также сократить число дорогостоящих и трудновыполнимых физических экспериментов, получать расчетным путем недостающие из реального эксперимента термо- и газодинамические параметры, определять влияние параметров на микро- и макроуровни с целью прогнозирования и планирования физического эксперимента.
Цель работы: создание методики комплексного исследования радиационных характеристик и характеристик излучения гетерогенных продуктов сгорания в различных энергетических установках методом вычислительного эксперимента.
Объект исследования: гетерогенные продукты сгорания различных энергетических установок, высокоэнергетических установок, дизелей и газодизелей.
В работе поставлены следующие задачи:
-
Вследствие обзора методов определения радиационных характеристик и характеристик излучения гетерогенных продуктов сгорания в энергетических установках выявить недостатки в расчетах теплового излучения в опубликованной литературе;
-
Организовать технологию и создать методику вычислительного эксперимента по комплексному исследованию радиационных характеристик и характеристик излучения продуктов сгорания энергетических установок, высокоэнергетических установок, дизелей и газодизелей;
-
На основании обзора методов решения интегро-дифференциального уравнения (ИДУ) переноса энергии излучения обосновать выбор метода для условий энергетических установок;
-
Провести комплексные вычислительные эксперименты по исследованию спектральных и интегральных радиационных характеристик, плотностей потока и степеней черноты для различных энергетических установок. Дать анализ результатов вычислительных экспериментов;
-
Выполнить сравнение результатов вычислительных экспериментов по комплексному исследованию характеристик излучения с литературными расчетными и экспериментальными данными.
Основные методы научных исследований в работе: методы вычислительной математики, теории лучистого теплообмена, общей химии и физики. Для расчетов радиационных характеристик и характеристик излучения продуктов сгорания энергетических установок использовался язык программирования Fortran 90, математические пакеты Maple 11 и Mathcad 2001. Для построения графических зависимостей использовался программный продукт Microsoft Office Excel 2007. Для создания схем использовался программный продукт Microsoft Visio 2007.
Научная новизна:
-
Впервые организована технология и создана методика вычислительного эксперимента по комплексному исследованию радиационных характеристик и характеристик излучения продуктов сгорания для промышленных и энергетических установок, ракетных двигателей и двигателей внутреннего сгорания;
-
Методом вычислительного эксперимента проведены комплексные исследования и получены радиационные характеристики и характеристики излучения для восьми энерготехнологических агрегатов, ракетных двигателей, дизелей и газодизелей;
-
Для различных энергетических установок методом вычислительного эксперимента установлено влияние определяющих факторов и параметров на характеристики излучения;
-
Впервые показана универсальность методики вычислительного эксперимента для различных энергетических установок.
На защиту выносятся:
-
Технология и методика вычислительного эксперимента по комплексному исследованию радиационных характеристик и характеристик излучения продуктов сгорания для промышленных и энергетических установок;
-
Результаты вычислительного эксперимента по исследованию радиационных характеристик и характеристик излучения различных энергетических установок, высокоэнергетических установок, дизелей и газодизелей;
-
Анализ влияния определяющих факторов и параметров на характеристики излучения в энергетических установках;
-
Доказательство универсальности методики вычислительного эксперимента по исследованию радиационных характеристик и характеристик излучения гетерогенных продуктов сгорания различных энергетических установок.
Достоверность и обоснованность результатов работы обусловлена применением современных методов теоретических исследований, математического моделирования, сопоставимостью полученных результатов с литературными расчетными и экспериментальными данными. Отличие результатов вычислительных исследований от экспериментальных результатов не превышает 5-7% для энергетических установок и до 2% при сравнении полученных в работе результатов с расчетными данными других исследователей для высокоэнергетических установок.
Практическая ценность.
Полученные результаты характеристик излучения позволяют судить о вкладе различных термо- и газодинамических параметров на плотности потоков и степени черноты газовой и конденсированной сред в различных участках спектра. Информация о результатах всех этапов вычислений дает возможность ограничиться результатами в каждом конкретном случае для определенных исследований: в области теплообмена (плотности потоков, степень черноты), в спектроскопии (коэффициенты и сечения), для определения функции распределения, оптических констант при решении обратных задач. Вычислительный эксперимент позволяет планировать физический эксперимент по определению температур газа и частиц. Решением обратной задачи с помощью вычислительного эксперимента можно получить недостающие по оптическим свойствам и по дисперсности данные, когда физический эксперимент затруднен или практически неосуществим. Изучение характера и уровня характеристик излучения позволяет воздействовать на процессы горения топлив, либо экранировать или фокусировать это излучение конструкционными материалами в энергетических установках. Характеристики излучения двигателей летательных аппаратов могут быть использованы для решения проблем селекции (обнаружение, распознавание летательных объектов и наведение на них зенитных управляемых ракет по тепловому излучению факела) и проблем защиты летательных аппаратов ложными целями от зенитных управляемых ракет по тепловому излучению.
Реализация результатов работы.
-
Получен акт об использовании результатов диссертационной работы при расчетах теплового излучения в энергетических агрегатах Кировского филиала ТГК-5.
-
Межрегиональным советом по науке и технологиям (г. Миасс) рекомендовано опубликовать научный обзор по профилю выполняемой диссертации для передачи в заинтересованные НИИ, КБ и предприятия для практического использования.
-
Получен акт о внедрении (использовании) результатов диссертационной работы в учебном процессе: при чтении лекций, курсовых работах и дипломном проектировании по дисциплинам «Рабочие процессы, конструкция и основы расчета энергетических установок» и «Автомобильные двигатели» для студентов, обучающихся по специальностям 190603 «Сервис транспортных и технологических машин и оборудования в АП» и 190601 «Автомобили и автомобильное хозяйство» на инженерном факультете Вятской ГСХА.
Личное участие.
Основные результаты получены лично автором под научным руководством профессора, д.т.н. Кузьмина В.А.
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 19 научных работ.
Структура и объем диссертации.
Диссертация изложена на 133 страницах и состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы, содержит 58 рисунков и 9 таблиц. Список литературы включает 164 источника.
