Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Основные соотношения газовой динамики 16
1.1. Одномерные уравнения газовой динамики 16
1.2. Дифференциальные уравнения газовой динамики 19
1.3. Линеаризация уравнений газовой динамики в зоне теплоподвода 27
1.4. Свойства плоскости теплоподвода 31
ГЛАВА 2. Аэродинамическое взаимодействие капельной жидкости с газом 37
2.1. Уравнения многокомпонентной реагирующей смеси газов. Первые интегралы 37
2.2. Уравнение движения капли 43
2.3. Зависимость радиуса капли от времени. 44
2.4. Горение капли горючего в газофазном режиме 47
ГЛАВА 3. Численное моделирование эффектов нестационарного взаимодействия горящей капли с акустическим потоком газа в трубе 59
3.1. Составление и решение характеристического уравнения 59
3.2. Аэродинамическое взаимодействие реагирующей капли с газом 67
3.3. Испарение капли 68
3.4. Неявная схема интегрирования уравнения движения капли .. 69
3.5. Анализ движения капли в трубе 71
ГЛАВА 4. Анализ утойчивости термически возбуждаемых пульсационных колебаний газа в цилинрической трубе 77
4.1. Уравнение одномерного течения 77
4.2. Модель горения 19
4.2.1. Локальная модель 80
4.2.2. Конвективная модель 81
4.3. Приближенное аналитическое решение 83
4.4. Вывод декремента затухания для конвективной модели в случае треугольного импульса 86
4.5. Анализ расчетов 92
4.5.1. Пример расчета по локальной модели 94
4.5.2. Пример расчета по конвективной модели. 102
ГЛАВА 5. Сравнение результатов теоретических расчетов с данными натурных испытаний 105
5.1. Описание экспериментальной установки 105
5.1.1 .Средства и методика измерения акустического давления 110
5.1.2. Средства и методика измерения температуры газов... 111
5.1.3. Методика проведения экспериментов 113
5.2. Сравнение теоретических значений границ устойчивости процесса горения с результатами экспериментов 115
Основные результаты и выводы 118
Литература 120
- Линеаризация уравнений газовой динамики в зоне теплоподвода
- Уравнения многокомпонентной реагирующей смеси газов. Первые интегралы
- Неявная схема интегрирования уравнения движения капли
- Вывод декремента затухания для конвективной модели в случае треугольного импульса
Введение к работе
В последние годы проблема возбуждения акустических колебаний в газовом столбе, в котором происходит горение, стала весьма злободневной. Это связано с тем, что ряд практически важных задач, связанных с созданием высокофорсированных камер сгорания, не может быть решен без тщательного анализа явления, которое иногда называют вибрационным горением. Указанное обстоятельство находит свое отражение в большом количестве статей, публикуемых в научных изданиях. Эти работы посвящены главным образом вопросам возбуждения неустойчивости в ракетных двигателях, и, следовательно, могут иметь сравнительно узкую сферу приложения. В то же время известно, что аналогичные явления наблюдаются в промышленных топках, экспериментальных установках для изучения процессов сгорания, в ряде физических экспериментов (трубка Рийке) и т.п. Поэтому имеется необходимость в более общем, чем обычно, рассмотрении проблемы возбуждения акустических колебаний теплоподводом, в частности горением.
Создание высокофорсированных топок сопряжено с рядом трудностей. Одной из них является борьба с высокочастотными колебаниями, возникающими в камере сгорания. Эти колебания могут существенно нарушать процесс горения и приводить к разрушению конструктивных элементов топки или двигателя. С другой стороны, известно, что ряд опытов, поставленных на промышленных топках, показал большую перспективность создания устройств, в которых вибрационное горение является нормальным режимом горения. Реализация таких режимов сулит большие выгоды в части увеличения тепло напряженности топок.
Чтобы осуществить достаточно широкое рассмотрение задачи, в работе принимаются следующие упрощения:
Рассматривается характер распространения акустических возмущений в одномерном течении, в нем выделяются две характерные зоны - «холодная» и «горячая».
Дается метод решения, который позволяет «склеивать» одномерные процессы слева и справа от зоны горения, в какой-то мере отображая существенные свойства реального трехмерного процесса горения.
Зная закономерности распространения акустических возмущений в одномерном течении газа и умея сводить сложный процесс в зоне горения к некоторому фиктивному процессу в одном сечении, разделяющем «холодную» и «горячую» части течения, можно использовать сравнительно простой математический аппарат для исследования процесса возбуждения колебаний.
Несмотря на значительные достижения исследователей в решении рассматриваемой здесь проблемы, до сих пор есть трудности в математическом описании сложных режимов горения и в получении решения. Тема исследования остается актуальной.
Ниже приводится краткий обзор журнальных статей за последние годы по теме рассматриваемой работы.
В работе А.Б. Кискина, Э. Вольпе, Л.Т. Де Лука [18] представлены результаты экспериментального исследования зависимости реактивной силы от скорости горения для модельных смесевых топлив на базе стехиометрическои смеси перхлората аммония и полиметилметакрилата. Для исследования влияния диспергирования использовались топлива с добавками А1 либо А1203. Вариации скорости горения осуществлялись за счет изменения начальной температуры, давления и внешнего излучения. Сделан вывод, что для определения скорости горения по величине реактивной силы параметры аппроксимирующей зависимости следует определять для каждого вида топлива при конкретных внешних условиях.
При горении конденсированных веществ возникает реактивная сила оттекающих от поверхности горения продуктов газификации. Она непосредственно связана с мгновенной; массовой скоростью горения. В работе А.Б. Кискина, В.Н. Симоненко [19] обсуждается специфика регистрации реактивной силы с помощью датчиков различного типа. Анализируется влияние таких факторов, как аппаратурные искажения, переменность параметров внешней среды и неодномерность горения. Делается вывод о предпочтительном использовании методики регистрации реактивной силы для измерения скорости горения с помощью предварительной экспериментальной градуировки и визуального контроля.
В работе В.Н. Корнилова, Е.Н. Кондратьева [21] экспериментально исследовано горение частиц магния и титана в акустически пульсирующем потоке для случая, когда размеры частиц меньше амплитуды смещения газа в акустической волне. Обнаружено увеличение времени горения частиц магния и уменьшение времени горения частиц титана при наложении акустических колебаний. Выявлены характерные особенности колебаний интенсивности светового потока горящей частицы магния как отклика парофазно горящей капли металла на внешнее акустическое воздействие. Предлагается объяснение формы регистрируемых колебаний на основе предположения о срыве фронта пламени с лобовой точки капли. Обсуждаются условия, необходимые для срыва пламени в пульсирующем потоке, а также эффекты, к которым может привести срыв пламени с капли при сжигании распыленных топлив в устройствах пульсирующего горения.
В.В. Заманщиков в работе [12] предлагает упрощенную модель распространения пламени по одиночному капилляру в режиме низких скоростей. В основе модели лежит представление о том, что основные закономерности распространения пламени в режиме низких скоростей определяются потоком теп- ла по стенке трубки от продуктов сгорания в свежую смесь. Получено качественное согласие с экспериментальными результатами.
В работе В.К. Баєва, Д.Ю. Москвичева, А.В. Потапкина [5] экспериментально исследовано влияние резонатора на тяговые характеристики прямоточной камеры сгорания при вибрационном горении водорода. В качестве камеры сгорания использовалась цилиндрическая труба с конфузорным входом. Ось резонатора перпендикулярна оси камеры сгорания. Показано, что тяговые характеристики камеры сгорания зависят от положения резонатора относительно камеры и от линейных размеров резонатора.
На примере природных пламен в работе B.C. Бабкина, И. Вежба, Г.А. Карим [3] с избытком энергии показано, что эти пламена могут существовать в разнообразных системах и режимах горения. Само существование некоторых пламен, таких как ячеистые и спиновые, обусловлено избыточной энергией. Многообразны и механизмы концентрации энергии. Кроме теплообменных процессов — кондукции, конвекции, излучения — концентрация энергии может быть обусловлена массообменными процессами, фазовыми переходами, фильтрацией, сжимаемостью газа и др. Приведенные примеры пламен с искусственно создаваемыми условиями для концентрации энергии демонстрируют широкий спектр возможных приложений этого явления.
В работе В.В. Афанасьева, СВ. Ильина, Н.И. Кидина [2] экспериментально изучены влияние вихреобразования и роль расхода смеси в возбуждении и поддержании автоколебательного режима горения кинетического поющего пламени. Методами голографической интерферометрии и рассеяния установлено, что в пограничном слое у среза горелки периодически зарождаются вихри, которые, взаимодействуя с фронтом пламени, изменяют площадь поверхности пламени и интенсивность тепловыделения. Показано, что основным механизмом обратной связи является периодическое вихреобразование, а появление концентрационных областей возбуждения и «молчания» связано с изменением числа волн, укладывающихся по высоте пламени. Обнаружено, что при горении топливовоздушных смесей, обогащенных кислородом, излучение звуковых колебаний происходит на более высоких гармониках.
В.П. Самсонов в работе [34] исследовал влияние состава смеси пропана с воздухом на самопроизвольно возникающую структуру "опрокинутого" вихревого пламени при горении газа, вдуваемого на нижнюю поверхность пластины, наклоненной относительно горизонта. Установил, что угловая скорость продуктов горения определяется ориентацией вектора скорости вдува газа относительно направления силы тяжести, скоростью в сопле горелки и составом горючей смеси. Показал, что при изменении состава горючей смеси происходит перестройка поля скоростей в вихревой структуре, приводящая к изменению распределений концентраций и температур в пламени. Получены зависимости высоты пламени и полноты сгорания горючей смеси от скорости вдува и содержания пропана.
В работе СИ. Худяева [49] получена прямая связь в виде дифференциального уравнения первого порядка между глубиной фазового превращения (положением фазовой границы) и параметром Франк-Каменецкого, характеризующим интенсивность химического тепловыделения. Как частный случай из этого уравнения следует решение задачи, ранее полученное для цилиндрического и плоскопараллельного реакторов. Наличие устойчивого промежуточного положения межфазной границы обобщено на симметричные области любой (даже дробной) размерности, что, как оказывается, не лишено физического содержания.
В работе Д.В. Воронина [9] численно исследовано возникновение и развитие вязкого, теплопроводного сжимаемого пограничного слоя за фронтом ударной волны в трубе. Изучено также обратное влияние пофаничного слоя на невязкое течение в центре трубы. Показано, что для учета влияния стенок трубы на внешний поток необходимо рассчитывать нестационарные пограничные слои, поскольку осреднение потерь по поперечному сечению трубы может быть слишком грубым приближением.
В работе А.П. Бурдукова, В.И. Попова, В.Д. Федосенко [7] предложена методика исследования динамики горения и уноса массы малолетучих частиц то-плив, основанная на синхронном измерении "термометрической" и пирометрической (цветовой) температур. Методика позволяет в широком диапазоне режимных параметров детально изучить временные фазы и массовые скорости горения частиц топлива.
В работе А.В. Старченко, А.М. Бубенчикова, Е.С. Бурлуцкого [46] с использованием моментного подхода и теории взаимодействующих взаимопроникающих континуумов строится математическая модель неизотермических турбулентных течений газовзвеси в каналах. В рамках; континуальной модели движения газодисперсной среды подробно анализируется характер взаимодействия частиц со стенкой канала. Эти достигается путем разделения дисперсной фазы монодисперсных твердых частиц на фракции падающих и отраженных частиц. В результате появляется возможность для использования физических граничных условий на стенке канала. Процессы турбулентного переноса описываются с использованием усеченной модели Л. В. Кондратьева, обобщенной на случай присутствия в потоке нескольких фракций частиц. Общая модель процесса тестируется на экспериментальных данных по динамическим характеристикам и теплообмену:
А.Н. Голованов [И] экспериментально исследовал теплообмен струи воздуха со стенкой цилиндрической оболочки при воздействии на процесс звуковых колебаний. Обнаружил, что акустическое поле существенно искажает зависимость числа St от числа Sh, Визуализация картины течения и расчеты показали возможность появления стоячих волн и акустических течений типа Рэ-лея, которые могут трансформировать газодинамические параметры струи и изменять распределение тепловых потоков в стенку.
В работе В.Г. Чернорай, Г.Р. Грек, М.М. Катасонова, В.В. Козлова [50] экспериментально исследовано возникновение и развитие возмущений, порождаемых трехмерной вибрирующей поверхностью в пограничном слое Блазиуса. Опыты проводились в модельном эксперименте, т. е. в контролируемых условиях, где сохранение фазовой информации давало возможность получить обширные и достоверные данные об изучаемом объекте как качественного, так и количественного характера. Вибрации поверхности обеспечивались громкоговорителем, работающим в режиме вдува-отсоса. Детальные термоанемометри-ческие измерения показали, что в случае, когда поверхность совершает колебания низкой частоты малой амплитуды, ниже по потоку вблизи стенки наблюдается пакет возмущений с характеристиками волн Толлмина — Шлихтинга. При увеличении эффективной амплитуды приблизительно в два раза "вдув" приводит к возникновению нового типа возмущений типа "пафф"-структур, имеющих другие характеристики развития в пограничном слое, чем волны Толлмина — Шлихтинга.
А.Л. Тукмаков [47] на основе модели вязкого сжимаемого теплопроводного газа численно исследовал колебания газового столба в закрытой трубе при возбуждении плоским поршнем, перемещающимся по гармоническому закону с амплитудой, сравнимой с длиной резонатора. В результате проведения расчетов обнаружил эффект возникновения, высокочастотных колебаний газового столба, при фиксированной частоте возбуждения, связанный с повышением собственной частоты системы вследствие роста средней температуры.
В работе Г.В. Кузнецова, А.Е. Ситникова [22] приведены результаты численного моделирования процесса тепломассопереноса в низкотемпературной тепловой трубе с двумя локальными источниками тепловыделения. Получены распределения гидродинамических и термодинамических параметров.
Большой цикл работ за последние два десятилетия был выполнен в институте механики и машиностроения Казанского научного цента РАН. Подробный обзор этих работ приведен в работе [16]. Однако в этом обзоре рассматриваются нелинейные колебания, возбуждаемые в системах, отличающихся от предлагаемых задач.
Целью работы является:
На основе общих уравнений сплошной среды выбрать приближенную модель нестационарного взаимодействия горящей капли с акустически потоком газа в трубе.
Дать анализ границ применимости выбранной математической модели.
Разработать методику решения записанной системы нелинейных уравнений газовой динамики с учетом явления передачи теплоты.
Приложение разработанной модели к расчету процессов в модельной камере сгорания. Сравнение расчетов с данными экспериментов.
Работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы.
Автором защищаются следующие основные научные положения: математическая модель и методика численного исследования нестационарного взаимодействия испаряющихся паров топлива с пульсационным потоком газа в открытой с двух концов цилиндрической трубе; результаты расчетов по предлагаемой методике, позволяющие определить границы устойчивого поддержания процесса горения в зависимости от геометрических и термодинамических параметров задачи.
Новизна работы
На основе полученной математической модели разработана практическая методика, позволяющая оптимизировать процесс горения в цилиндрической трубе за счет варьирования геометрических и термодинамических параметров задачи.
Достоверность результатов обеспечивается корректностью математической постановки, проведением серии тестовых расчетов, сравнительным анали- зом результатов расчета с аналитическими и численными данными других авторов.
Практическая значимость работы. Ценность результатов работы заключается в том, что полученные в диссертации данные могут быть использованы:
1. Для оптимизации работы существующей модельной установки.
2, Для проведения оценочных расчетов новых конструкторских разработок ус тановок для сжигания жидких отходов.
Апробация работы.
Основные положения диссертации докладывались на: Всероссийской школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН В.Е. Алемасова «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении», Казань, 2002; VII аспирантско— магистерском семинаре КГЭУ, Казань, 2003; Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, акустика, диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», Казань, 2003; XIV Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И, Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергеческих установках», Рыбинск, 2003; III Международной конференции «Проблемы промышленной теплотехники», Киев, 2003; Одиннадцатой международной конференции «Математика. Компьютер. Образование», Дубна, 2004.
Основные результаты диссертации опубликованы в работах [6, 36-43].
Вклад соавторов заключается в следующем:
Научному руководителю Сахабутдинову Ж.М. принадлежат постановка всех задач и обсуждение результатов расчетов.
Соавтору Павлову Г.И. принадлежит проведение экспериментальных исследований, обсуждение и анализ полученных результатов.
Автору принадлежат постановка рассмотренных с соавторами задач, разработка алгоритмов созданной методики, программ расчета, обсуждение и анализ полученных результатов.
Линеаризация уравнений газовой динамики в зоне теплоподвода
Зона ст является областью, в которой происходит существенное преобразование акустических возмущений. Если характер этой трансформации почему-либо заранее известен, то расчет можно вести, непосредственно связывая акустические возмущения на граничных плоскостях F\ и F2, и не интересуясь деталями явлений, происходящих внутри а. Чтобы не внести при этом искажения в акустические свойства системы, зависящие от общей длины трубы L, можно соответственно удлинить участки L\ и 1 . Вся труба делится на две части не короткой зоной ст, а плоскостью X, Возмущения течения на левой стороне плоскости X совпадают с возмущениями на F\, а возмущения на правой стороне плоскости с соответствующими величинами на /. Поскольку амплитуды и фазы одноименных возмущений на F\ и Fj, вообще говоря, не совпадают, фиктивной плоскости Z надо приписать свойства поверхности сильного разрыва газодинамических параметров течения. При такой идеализации процессов в трубе они будут всюду одномерными и будут подчиняться акустическим закономерностям. Свойства плоскости еще подлежат определению. Не надо думать, что введение плоскости X) вместо зоны а сильно искажает всю картину явления, поскольку достаточно сложный процесс сгорания, происходящий в некотором объеме, заменяется мгновенным подводом тепла на плоскости Z. Более правильным будет иное представление. Зона ст как бы «извлекается» из течения и подробно изучается отдельно. Когда же свойства ее ясны, т.е. ясна связь между параметрами на F\ и Fj, то эти свойства формально приписывается левой и правой стороне плоскости 2 [32]. Поверхность сильного разрыва X следует наделить всеми существенными свойствами зоны теплоподвода а, Введение поверхности разрыва вместо протяженной зоны теплоподвода является приемом, который использовался почти всеми авторами, занимавшимися изучением процесса термического возбуждения звука. Что касается свойств введенной поверхности , то обычно они формулировались неточно, что искажало результаты исследования. Необходим строгий вывод свойств, которые следует приписать поверхности X. Для этого найдем связь между параметрами течения на плоскостях F\ и F2.
Определим границы области а. Будем называть зоной горения некоторый объем V, заключенный между двумя неподвижными плоскостями, нормальными к оси трубы, внутри которого происходит процесс горения. Длина зоны горения а должна быть взята с учетом не только возможной криволинейности фронта пламени, но и с учетом колебаний фронта во времени - поверхность пламени не должна пересекать границ объема V ни в одном из своих положений.
Поскольку за пределами зоны горения V процесс принимается одномерным, такое же предположение следует сделать относительно характера течения в сечениях, ограничивающих объем V. Поэтому зона горения может иметь несколько большую протяженность, чем расстояние между крайними положениями поверхности пламени, достигаемыми в результате колебаний..
Процесс распространения возмущений описывается тремя переменными, зависящими от координаты и времени. Поэтому для «склеивания» распространяющихся слева и справа от зоны горения возмущений необходимо найти три независимые связи между возмущениями слева и справа от V. Для вывода этих связей целесообразно применить законы сохранения. Воспользуемся уравнениями потоков массы, импульса и энергии в той форме, в которой они приводятся в классических курсах [24, 51], дополнив эти уравнения рядом новых членов.
Уравнение потока энергии следует писать с учетом химической энергии, переносимой течением. Под этим понимается скрытая химическая энергия единицы массы горючей смеси q. Изменение q при пересечении зоны т говорит о том, что часть этой энергии перешла в тепловую форму в результате процесса горения. В зоне теплоподвода о могут быть расположены источники массы, импульса или энергии.
Обычно горючая смесь готовится перед зоной горения, и поэтому реальный источник массы в зоне ст отсутствует. В тех случаях, когда в зоне горения оказывается источник массы такого типа, им обычно можно пренебрегать. Поэтому, написав для общности соответствующее слагаемое М в уравнении потока массы, в дальнейшем будем полагать М =0. Чтобы это утверждение не вызвало недоумения, укажем, что условие М =0 достаточно хорошо отражает процессы сжигания горючего в воздухе. В случае анализа работы жидкостных реактивных двигателей полагать М =0 было бы неверно. В теории жидкостных реактивных двигателей принято пренебрегать объемом, занимаемым топливом, находящимся в жидкой фазе. Поэтому наиболее естественной идеализацией процесса горения в таких двигателях является следующая схема. Капли топлива движутся по газовой среде до некоторого сечения камеры сгорания, где они мгновенно превращаются в газ (сгорают). Следовательно, в этом сечении находится мощный источник газов (источник массы). Это аналогично случаю, когда форсунки, подающие горючее в воздух, находятся в зоне горения, но в отличие от этого случая в жидкостных реактивных двигателях через форсунки подается не малая доля массы, поступающей в зону горения, а вся эта масса. Поскольку подробный анализ работы жидкостных реактивных двигателей не является целью настоящего исследования, всюду будет предполагаться, что А/ =0.
Относительно источника импульса, расположенного внутри зоны а, можно сделать следующие замечания [32]. Наличие такого источника является вполне вероятным. Его можно представить себе в виде некоторого сопротивления Р , которое оказывают потоку различного рода конструктивные элементы, находящиеся в камере сгорания. Так как аэродинамические силы, приложенные к этим конструктивным элементам, не совершают внешней работы, можно сказать, что такой источник импульса не является источником энергии (наличие сопротивления только изменяет соотношение между количествами механической и тепловой энергии, переносимых потоком, но не меняет их суммы). Источник тепловой энергии Q , который учитывается при написании уравнения потока энергии, есть теплоподвод, не связанный с горением.
Уравнения многокомпонентной реагирующей смеси газов. Первые интегралы
Колебания, возникающие в сплошных средах, могут интенсифицировать ряд процессов, происходящих в промышленных установках. Известно [31], что в колеблющихся потоках происходит существенное ускорение различных теп-лообменных процессов (смесеобразования, испарения, теплопередачи от газа к стенкам, теплообмена при взаимодействии потока с нагретыми телами и пр.). При вибрационном горении, кроме того, происходит увеличение теплонапря-женности топочного объема, улучшение полноты сгорания топлива по сравнению с равномерным режимом горения. Эти преимущества могут быть использованы в энергетических установках с умеренной форсировкой процессов горения, в которых амплитуда колебаний будет не такой большой, чтобы привести к каким-то серьезным последствиям.
Другой современный аспект применения вибрационного горения связан с проблемой защиты окружающей среды. Развитие промышленности привело к появлению различных отходов, требующих утилизации. В полной мере это относится и к бытовому мусору. Часто термическое разложение отходов является единственным способом их уничтожения. Использование вибрационного режима горения является одним из перспективных направлений, поскольку одновременно решаются обе указанные задачи — получение энергии за счет сжигания отхода и их утилизация путем частичного или полного уничтожения, интенсификация процесса горения колебаниями дает возможность сжигать вещества, которые в обычных печах, с равномерным режимом, не горят или имеют низкую полноту сгорания.
В ряде работ [17, 20, 26, 27, 30, 25, 45] отмечается о существенных преимуществах пульсирующего горения перед стационарным. Сравнительные данные стационарного и пульсационного способов сжигания топлива, полученные в результате обобщения результатов стендовых и натурных испытаний энергоустановок, приведены в таблице 3.
Практически по всем показателям пульсационный режим более выгоден, чем стационарный. Исключение составляет лишь шум, излучаемый энергоустановкой. Увеличение тепловой мощности энергоустановки приводит к увеличению её габаритов. Как правило, интенсивность звукового излучения при этом возрастает [45] ив спектре акустического сигнала появляются субгармоники, создающие существенные конструкционные проблемы [4, 45]. Поэтому вопросы шумоподавления и виброизоляции установок пульсирующего горения при их практическом использовании имеют важное значение. Необходимо отметить, что выбор метода шумоподавления применительно к камерам пульсирующего горения ограничен. Это обусловлено тем, что устранение шума в самом источнике процесса для камер пульсирующего горения недопустимо. В настоящее время известны и используются следующие методы борьбы с шумами: - применение звукоизоляционных материалов и конструкций, например, противофазных;" — впрыскивание воды в выхлопные газы; — использование вместо аэродинамических клапанов механических, изготавливаемых из полимерных материалов; - сочетание камеры пульсирующего горения с другими видами камеры сгорания. Однако, как показывает практика, вышеуказанные меры лишь частично решают проблему шума камер пульсирующего горения. В данной работе уменьшение негативной роли шума производится путём поэтапного сжигания топлива в многоконтурной (ступенчатой) камере пульсирующего горения. При этом в очередном контуре преднамеренно инициируются резонансные колебания, основная часть энергии которых используется для интенсификации промежуточных этапов горения (распыла, дробления, испарения и т. д.). Для проверки предложенного метода разрабатывался испытательный стенд, где объектом исследования явилась двухступенчатая камера пульсирующего горения. Общий вид двухступенчатой камеры приведён на рис. 35.
Двухступенчатая камера пульсирующего горения включает в себя инициирующую камеру (генератор колебаний), состоящую из камеры сгорания б и резонансной трубы 10 [4, 45]. Наиболее теплонапряжённые участки инициирущей камеры охлаждаются воздухом. Камера работает по принципу трубы Шмидта.
Подробное описание такой камеры, а также результаты испытаний её характеристик приведены в работе [17]. Воздух в короб 7 нагнетается вентилятором 5. Кроме этого вентилятора в состав двухступенчатой камеры пульсирующего горения входит другой вентилятор 3, при помощи которого в камеру сгорания подводится воздух для горения. В инициирующей камере сгорания сжигается горючий газ (пропан). Пропан подаётся из баллона. Резонансная труба инициирующей камеры соосно вставляется в цилиндрическую трубу 13, являющуюся вторым контуром двухступенчатой камеры пульсирующего горения. Геометрические размеры цилиндрической трубы, игравшей роль второй ступени, определялись исходя из её собственных частот колебаний, при условии, что на концах трубы, сообщающихся со средой с постоянным давлением, располагаются узлы давления. Собственные частоты не могут быть произвольными. Допустимые её значения определяются из условия, что на длине трубы укладывается половина длины волны или целое число полуволн, т.е.
Двухступенчатая камера разрабатывалась при условии, что собственная частота колебаний инициирующей камеры (генератора колебаний) совпадает с одной из собственных частот колебаний трубы (второго акустического контура). Частоты колебаний вычислялись также расчётным путём. Расчёты проводились по формуле, известной из акустики / = 1/2%-jMC , где М - инертность резонансной трубы. С — ёмкость камеры. Эти параметры определяются по формулам: М = pi/xR2 , С = v/pa2 , где р — плотность газа, кг/и , R — радиус трубы; V — объём камеры, м ; а — скорость звука, м/с. Скорость звука рассчитывалась с учётом температуры продуктов сгорания в камере и в резонансной трубе.
Неявная схема интегрирования уравнения движения капли
Опыты показали, что истекающая из инициирующей камеры пульсирующая газотопливная смесь во втором контуре генерирует вынужденные резонансные колебания. После поджига газотопливной смеси акустические колебания усиливаются, что приводит к интенсификации горения, в полости трубы образуется огненный факел. Опыты проводились на трубе длиной 2.5м и диаметром 0,26м, режим работы инициирующей камеры в ходе опытов не менялся (частота колебаний 80 Гц): Факел пламени имел прозрачную структуру и голубоватый оттенок. Длина факела в зависимости от массы сжигаемого топлива менялась. В самом факеле измерялась температура газов. По измеренным значениям строилось температурное поле факела. Замечено, что температурное поле имеет форму трапеции. Соотношение горючей жидкости и воздуха сильно влияет на размеры трапеции — с уменьшением коэффициента избытка воздуха нижнее основание трапеции начинает расти, верхнее - снижаться. В опытах цвет пламени менялся от голубоватого до темно-красного. Однако форма факела оставалась трапециидальной. Длины верхнего и нижнего оснований трапеции свидетельствуют о том, что градиент температуры по длине факела фактически равен нулю. При значениях коэффициента избытка воздуха, близких к стехиометрическому, их длины примерно одинаковы. Это можно объяснить интенсивным массопереносом, происходящим в зоне горения под воздействием пульсаций. При условии равенства верхнего и нижнего оснований трапеции можно судить о производительности модельной камеры и о возможности ее форсировки — чем длиннее основания, тем больше производительность камеры.
При перемещении факела в первую половину трубы чётко выраженного колебательного процесса не было замечено. Наблюдается неустойчивый режим пульсационного горения, т.е. периодически частота колебаний «прыгает» с одной гармоники на другую. Об этом свидетельствует характер акустического сигнала, записанного во втором контуре. При этом периодически меняются как размеры факела, так и цвет пламени.
Картина стабилизируется, когда срез резонансной трубы инициирующей камеры устанавливается во второй половине цилиндрической трубы. Сигнал, поступающий с датчика пульсаций давления, имеет периодический характер. На спектрограмме отчётливо видны явно выраженные пики. Поддерживается устойчивый колебательный процесс и в инициирующей камере.
Для обеспечения стабильных параметров камеры горения в режиме пульсаций необходимо знать область устойчивости колебательного процесса. Конструкция установки позволяет экспериментально исследовать устойчивость колебаний только в отдельных точках этой зоны. Отыскание этой зоны опытным путём представляет большие трудности, связанные с большими затратами времени и средств. На рис. 36 в качестве примера приведена область устойчивости, построенная на основе результатов эксперимента. При приближении факела к выходному срезу трубы граница устойчивости расширяется. Увеличение области устойчивости колебательного процесса наблюдается с увеличением длины факела. При коротком факеле устойчивые колебания удаётся достичь только ближе к выходному срезу цилиндрической трубы [40, 42,43].
Исследование устойчивости колебательного процесса в широких пределах изменения различных параметров, определяющих работу камеры возможно на основе теоретических методов. В нашем случае аналитические решения получены для разных условий возникновения колебательного процесса в трубе, в том числе для условий, при которых устойчивость процесса исследовалась экспериментально. Факел пламени задавался в виде трапеции. Длину факела характеризует величина А$ - Я,2, параметр Л\ показывает удалённость факела пламени от переднего конца трубы. На границу устойчивости существенное влияние оказывает также длина участка теплоподвода, зависящая от расходных характеристик и соотношения количества жидкого горючего и воздуха. Предложенная математическая модель решения задачи устойчивости адекватно отражает реальные процессы [40, 42, 43]. В работе предлагаются два подхода для анализа задач горения в длинной цилиндрической трубе. Первый подход ориентирован для задач, в которых зону подвода теплоты можно заменить сечением, в котором «связываются» параметры слева и справа от теплоподвода. Во втором подходе используется непрерывная модель газового течения с распределенным по длине трубы подводом теплоты. Второй подход больше ориентирован для исследования задач устойчивости. 2. Изложенная во второй главе математическая модель позволяет рассматривать более сложные модели рабочего тела — смесь идеальных газов. Для случая гомогенной смеси расписана схема расчетов концентраций отдельных компонентов и параметров смеси в целом, а так же изменение температуры в окрестности пространства испаряющейся капли. По модели приведенной пленки выполнен расчет для этилового спирта. Приведенные результаты полностью согласуются с известными результатами других авторов.
Вывод декремента затухания для конвективной модели в случае треугольного импульса
Колебания, возникающие в сплошных средах, могут интенсифицировать ряд процессов, происходящих в промышленных установках. Известно [31], что в колеблющихся потоках происходит существенное ускорение различных теп-лообменных процессов (смесеобразования, испарения, теплопередачи от газа к стенкам, теплообмена при взаимодействии потока с нагретыми телами и пр.). При вибрационном горении, кроме того, происходит увеличение теплонапря-женности топочного объема, улучшение полноты сгорания топлива по сравнению с равномерным режимом горения. Эти преимущества могут быть использованы в энергетических установках с умеренной форсировкой процессов горения, в которых амплитуда колебаний будет не такой большой, чтобы привести к каким-то серьезным последствиям.
Другой современный аспект применения вибрационного горения связан с проблемой защиты окружающей среды. Развитие промышленности привело к появлению различных отходов, требующих утилизации. В полной мере это относится и к бытовому мусору. Часто термическое разложение отходов является единственным способом их уничтожения. Использование вибрационного режима горения является одним из перспективных направлений, поскольку одновременно решаются обе указанные задачи — получение энергии за счет сжигания отхода и их утилизация путем частичного или полного уничтожения, интенсификация процесса горения колебаниями дает возможность сжигать вещества, которые в обычных печах, с равномерным режимом, не горят или имеют низкую полноту сгорания.
В ряде работ [17, 20, 26, 27, 30, 25, 45] отмечается о существенных преимуществах пульсирующего горения перед стационарным. Сравнительные данные стационарного и пульсационного способов сжигания топлива, полученные в результате обобщения результатов стендовых и натурных испытаний энергоустановок, приведены в таблице 3.
Практически по всем показателям пульсационный режим более выгоден, чем стационарный. Исключение составляет лишь шум, излучаемый энергоустановкой. Увеличение тепловой мощности энергоустановки приводит к увеличению её габаритов. Как правило, интенсивность звукового излучения при этом возрастает [45] ив спектре акустического сигнала появляются субгармоники, создающие существенные конструкционные проблемы [4, 45]. Поэтому вопросы шумоподавления и виброизоляции установок пульсирующего горения при их практическом использовании имеют важное значение. Необходимо отметить, что выбор метода шумоподавления применительно к камерам пульсирующего горения ограничен. Это обусловлено тем, что устранение шума в самом источнике процесса для камер пульсирующего горения недопустимо. В настоящее время известны и используются следующие методы борьбы с шумами: - применение звукоизоляционных материалов и конструкций, например, противофазных;" — впрыскивание воды в выхлопные газы; — использование вместо аэродинамических клапанов механических, изготавливаемых из полимерных материалов; - сочетание камеры пульсирующего горения с другими видами камеры сгорания. Однако, как показывает практика, вышеуказанные меры лишь частично решают проблему шума камер пульсирующего горения. В данной работе уменьшение негативной роли шума производится путём поэтапного сжигания топлива в многоконтурной (ступенчатой) камере пульсирующего горения. При этом в очередном контуре преднамеренно инициируются резонансные колебания, основная часть энергии которых используется для интенсификации промежуточных этапов горения (распыла, дробления, испарения и т. д.). Для проверки предложенного метода разрабатывался испытательный стенд, где объектом исследования явилась двухступенчатая камера пульсирующего горения. Общий вид двухступенчатой камеры приведён на рис. 35.
Двухступенчатая камера пульсирующего горения включает в себя инициирующую камеру (генератор колебаний), состоящую из камеры сгорания б и резонансной трубы 10 [4, 45]. Наиболее теплонапряжённые участки инициирущей камеры охлаждаются воздухом. Камера работает по принципу трубы Шмидта.
Подробное описание такой камеры, а также результаты испытаний её характеристик приведены в работе [17]. Воздух в короб 7 нагнетается вентилятором 5. Кроме этого вентилятора в состав двухступенчатой камеры пульсирующего горения входит другой вентилятор 3, при помощи которого в камеру сгорания подводится воздух для горения. В инициирующей камере сгорания сжигается горючий газ (пропан). Пропан подаётся из баллона. Резонансная труба инициирующей камеры соосно вставляется в цилиндрическую трубу 13, являющуюся вторым контуром двухступенчатой камеры пульсирующего горения. Геометрические размеры цилиндрической трубы, игравшей роль второй ступени, определялись исходя из её собственных частот колебаний, при условии, что на концах трубы, сообщающихся со средой с постоянным давлением, располагаются узлы давления. Собственные частоты не могут быть произвольными. Допустимые её значения определяются из условия, что на длине трубы укладывается половина длины волны или целое число полуволн, т.е.
