Аэродинамика факела Вулис Л.А. Ярин Л.П., страница 3

В гомогепном факеле процесс смешения реагентов осуществляется вне объема факела, так что в зону горения поступает заранее подготовленная смесь. Так как процесс смешения, как правило, является лимитирующим, то гомогенный факел оказывается значительно более коротким и напряженным, чем диффузионный. Горение в нем практически полностью завершается в пределах начального участка струи, т. е.

на протяжении первых трех — пяти калибров. При горении неперемешанных газов процессы смешения и горения компонентов протекают одновременно непосредственно в зоне реакции. В этом случае факел оказывается значительно более протяженным. Длина его составляет десятки и даже сотни калибров. Этот вид факела, широко распространенный в технике, наиболее подробно обсуждается в этой книге. Прн наличии в топливе некоторой доли окислителя (горение богатых смесей) образуется так называемый двойной факел.

Его особенностью является наличие двух фронтов пламени. На одном из них (внутреннем) реагируют окислитель, который находится в топливе, и соответствующая ему по стехнометрии ы часть топлива. Не прореагировавшнй избыток топлива сгорает во внешнем диффузионном фронте, который образуется в результате смешения топлива с окружающим воздухом. Что касается характера процесса горения, то в газовых пламенах он может протекать в диффузионной или кинетической области. Первой из них отвечает высокотемпературный процесс, при котором в силу специфических особенностей экзотермическпх реакций горение локализуется в небольшом интервале значений температур, близких к максимальной. Соответственно этому прп диффузионном горении зона интенсивного тепловыделения представляет собой весьма узкую область — в пределе фронта пламени,— в которой и реагируют исходные компоненты.

В отличие от этого кинетическому режиму горения отвечает протекание реакции во всем объеме. В газовых пламенах реализуются обе указанные выше формы процесса. Кинетическое горение наблюдается, как правила, только в области воспламенения и стабилизации факела (или срыва горения), а также в зоне догорания (за фронтом пламени), где скорость реакции резко падает вследствие почти полного выгорания компонентов. Прп напряженном процессе, характерном для горения высококалорийных топлив, диффузионный режим реализуется практически во всей области, занятой факелом. По тяпу струйного движения газовые пламена могут быть подразделены на две большие группы.

К первой относятся свободные факелы, распространяющиеся в неограниченной (неподвижной или движущейся) среде, ко второй — развивающиеся в ограниченном пространстве и взаимодействующие с твердыми поверхностями. Промежуточное место занимает полуогранпченный факел, образованньш струей, движущейся вдоль твердой стенки. В нем, как и в полуогранпченной струе, сочетаются два пограничных слоя — свободный и пристенный 15, 91]. В зависимости от направления движения смешивающихся потоков различают спутные и встречные факелы, а также пламена, распространяющиеся в поперечном (сносящем) потоке. Аэродинамика таких пламен существенно зависит от соотношения скоростей в факеле и окружающем потоке. Наиболее простым типом свободного прямоструйного факела является факел, образующийся в зоне смешения двух полубесконечных потоков топлива н окислителя или однородной горючей смеси н инертного газа (рис.

1 — 6, а). Для него характерно наличие незамкнутого фронта пламени, разграничивающего поле течения на две области, заполненные соответстненно топливом и окислителем. В каждой пз пих присутствуют также продукты сгорания, дпффундирующпе от фронта пламени. Несмотря на то что такой (безграничный) факел не может быть практически осуществлен, он представляет интерес как аналог горения в начальном участке затопленной или спутной струи.

В реальных услонпях прн пстечешш топлива пз сопла конечного размера (рис. 1-6, б) фронт пламени образует замкнутую поверхность. Вслелствпе этого все характерные величины (скорость, темпе(>атура, концентрации) изменяются на оси факела от начальных значений до значений, отвечающих зоне горения Своеобразной разновидностью своболного факела является веерный, образуюццзйся при истечении топлива из кольцевого сопла (рис.

1-6, в). По ряду признаков — распределению безразмерной скорости, температуры и концентраций в поперечных а) У на аман лагг Рнс. 1-6. Схемы прпмоструйных газовых пламен: а — горенке в плоскопараллельном пограничном слое; б — затопленный факел, в — веерный, г - хо- акснальный факел сечениях — такой факел близок к плоскому. Наряду с этим ему присущи некоторые свойства осесимметрнчного факела — более быстрое, чем в плоском факеле, изменение параметров вдоль оси, нарастание плошали попере пггого сечения. Из более сложных типов газовых пламен упомянем кольцевые факелы (рис. 1-6, г), а также факелы, образующиеся при истечении топлива и окислителя из системы плоских сопел.

Для свободных прямоструйных газовых пламен различных типов общим является наличие направленного движения, при котором продольная составляющая вектора скорости существенно превышает поперечную (а поперечные градиенты переменных превышают продольные). В таких факелах обычно отсутствуют сколько-нибудь значительные градиенты давленпя во всем поле течения. Для них характерно также палпчпе выраженной высокотемпературной зоны — фронта пламени. 13 В газовых пламенах, распространяющихся в ограниченном пространстве, в зависимости от способа смесеобразованпя может реализоваться горение неперемсшанных газон (прп раздельной подаче топлива и окислителя) или горение однороднои смеси (при подаче в камеру заранее подготовленной горючей смеси).

Лэродььнамическьье и тепловые характеристики ограниченных пламен существенно зависят от геометрии топки, соотношения размеров горелки и камеры сгорания и условий теплообмена с твердыми поверхностямп, Каьь правило, ограниченные пламена не являются изобарическими Для ннх типично наличие замкнутых шьркуляционных зон, обеспечивающих возврат продуктов сгорания к основанию факела, и устойчивую стабилизацию горения. Тлп О РАСЧЕТЕ ТУРБУЛЕНТНОГО ФАКЕЛА Явления, происходящие в турбулентном потоке горящего газа, описываются сложной системой уравнений. В состав ее входят уравнения движения и неразрывности для течения вязкого сжимаемого газа, а также уравнения энерпщ и диффузии для компонент горючей смеси и продуктов реакцни, содержащие нелинейные источньььси тепла и вещества.

Интенсивность этих источников определяется уравнениями химической кинетики. В общую систему уравнешьй входят также уравнение состояьььья и выражения, определяющие зависимость физических констант (коэффицпенты вязкости, теплопроводности, диффузии и др.) от температуры п давления, а в принципе и от состава смеси. В общем случае учету подлежат также изменение молекулярной массы в ходе реакции, отличие теплоемкости исходных реагентов от теплоемкости продуктов сгорания, потери теплоты при излучении пламени, явления диссоциацин, иоиязацпи и рекомбпнащщ, эффекты термо- и бародиффузии и диффузионной теплопроводности, обусловленные наличием резких градиентов температуры и концентраций и др. гьЕ ПрИВОдя ПОЛНОЙ СИСТЕМЫ ураВНЕНИй рЕаГИруЮщЕГО ПОтОКа газов, отметим, что решение ее в общем случае (не только для турбулеятного, но и для ламинарного потока) сопряжено, как правило, с практически непреодолимыми трудностями.

Последние обусловлены прежде всего необходимостью интегрирования с учетом соответствующих граничных условий сложной системы нелинейных дифференциальных уравНений в частных производных. Серьезным препятствием на пути получения полного решения задачи наряду с этим является недостаточность сведений п надежных количественных данных пв кинетпке химических реакций горения сложных смесей, в особенности применительно к турбулентному режиму течения. К тому же при расчете турбулентного горения газов в полной мере сохраняются обычные для гпдродинамики трудности, связанные с незамкпутостью системы уравнений Рейнольдса для осредиенного турбулентного движения. Для замыкания этой системы приходится использовать те или иные феноменологические модели осредненного движения и основанные на них выражения, связывающие эффективные (турбулентные) коэффициенты переноса со средними значениями переменных и их производными по пространственным переменным.

При этом в расчет вводятся эмпирические постояниыс (и даже функции вместе с определяющими их дополнитель. ными уравнениями), не являюшиеся, как известно, универсальными, а завнсяшие сложным образом от характера н условий протекания процесса. Таким образом, при исследовании турбулентного горения газов уже на первой стадии анализа (при написании замкнутой системы уравнений) теряется однозначность формулировки задачи, возникает некоторая неопределенность в выборе расчетной схемы н эмпирических коэффициентов и функций. В такой ситуации неизбежны далеко идущие упрощения как физической„так и математической постановки задачи, Практически дело сводится прежде всего к замене полных уравнений Навье — Стокса приближенными уравнениями теории пограничного слоя и к отказу от учета влияния ряда второстепенных факторов.