Процессы в камерах сгорания ГТД Лефевр А., страница 14

Так, в подходе, развитом Щелкиным [25), выражение для Яг приобрело следующую форму: Яг = 5ь [1 + В (ц'/5 .) (2.34) где  — константа порядка 1. При больших скоростях турбу' лентного потока уравнения (2.33) и (2.34) сводятся к ог=п ° (2.35) Подробное изложение этих и других, более современных теорий турбулентного пламени содержится в работах [26, 27]. Серия экспериментов с закрытыми турбулентными пламенами в однородных смесях была проведена в работах [28, 29). Турбулентность с определенными характеристиками в зоне горения задавалась турбулизирующими поток решетками, располагавшимися на входе в рабочую часть установки.

Изменяя надлежащим образом геометрию этих решеток и скорость потока, можно было создавать в зоне горения области, в которых интенсивность турбулентности оставалась примерно постоянной, но масштаб турбулентности мог изменяться в очень широких пределах. Таким образом создавались условия, которые позволяли раздельно определять влияние интенсивности и масштаба турбулентности на скорость распространения и структуру пла.

мени. На начальном участке, непосредственно за решеткой, интенсивность турбулентности следует зависимости (2.36) где (/ — средняя скорость потока смеси, х — расстояние от рещетки, Ь вЂ” размер прутка в решетке, п1 — постоянная величина, составляющая от 0,5 до 0,7. Интегральный масштаб турбулентности определяется из соотношения (2.37) ь (ь) где Ке, = (/Ь/9 — число Рейнольдса для решетки, пт — величина, равная 0,5. то Глава х Масштаб Колмогорова определялся из выражения Ч = (т/а)'" (2.38) Область 4 Область 1, в которой и' ( 25ь, представляет собой в целом область слабой турбулентности и малых скоростей потока.

Даже наименьшие величины т1 превышают толщину ламинарного пламени бы В соответствии с этим турбулентные вихри еше не создают шероховатостей на поверхности фронта пламени, который сохраняет гладкий, ламинарный вид. Однако вследствие искривления пламени турбулентностью и увеличения из-за этого площади его поверхности скорость распространения пламени возрастает. Свой вклад в искривление пламени вносят как пульсационная скорость, так и масштаб турбулентности, и их совместное влияние на скорость распространения пламени описывается соотношением ( — ) =1+0,03( — ) .

(2.39) Следует отметить, что в этой области слабой турбулентности величина отношения 5т(5с возрастает при увеличении масшта- ба турбулентности. Область 3 В области 3, где и' ) 25ы увеличение интенсивности турбулентности обычно сопровождается уменьшением ее масштаба. Поэтому при очень высоком уровне турбулентности все вихри слишком малы, чтобы вызвать заметное искривление поверхности фронта пламени. Тем не менее достигается высокая скорость горения благодаря образованию пламенной поверхности очень большой площади на границах раздела между многочисленными Сквозь прозрачную боковую стенку рабочей части делались шлирен-фотографии пламени.

Интенсивность турбулентности изменялась от 2 до 14 7,, скорость потока — до 80 м/с. Скорость распространения турбулентного пламени определялась как произведение средней скорости потока на синус угла между направлением потока и средним положением поверхности пламени. Изучение шлирен-фотоснимков в совокупности с измерениями скорости распространения турбулентного пламени показало, что физическая структура пламени и влияние масштаба турбулентности на скорость горения зависят от уровня интенсивности турбулентности.

Для обобщения результатов этих наблюдений была предложена концепция трех характерных областей. Элементы теории горения малыми вихрями смеси н окружающими их продуктами сгорания. Для данной области концепция непрерывной односвязной поверхности фронта пламени становятся нереалистической, и зону горения можно представить как довольно толстую матрицу, заполненную продуктами сгорания вперемежку с вихрями свежей смеси. Отношение скоростей распространения турбулентного и ламинарного пламен в области 3 выражается следующим образом: ~т и'6 т 05 г 5, ' 5ЛЧ ' (2.40) Следовательно, в области 3 для сильно турбулизованных смесей величина Бг уменьшается при увеличении масштаба турбулент- ности. Область 2 В области 2. и' ж 25ы Принципиальное различие областей 1 и 3 состоит в относительном размере турбулентных вихрей: в области 1 они велики по сравнению с толщиной зоны пламени, в области 3 — малы.

Между этими предельными областями существует дово.тьно широкая область, в которой вихри соизмеримы с толщиной зоны пламени. В' этой области одновременно действуют два механизма увеличения площади поверхности пламени: 1) фронт пламени искривляется вихрями, большими, чем толщина пламени; 2) площадь поверхностей контакта между продуктами сгорания и свежей смесью значительно возрастает благодаря вовлечению вихрей смеси внутрь зоны пламени. Оба механизма способствуют увеличению 5г, но Яг при этом практически не зависит от масштаба турбулентности, так как любое изменение масштаба автоматически изменяет вклад каждого из двух механизмов, причем в противоположном направлении. Таким образом, между областями 1 и 3 существует переходная область 2, в которой скорость распространения турбулентного пламени, по существу, не зависит ни от скорости ламинарного пламени, ни от масштаба турбулентности и следует соотношению Яг = 2и'.

(2.41) Структура турбулентного пламени Рис. 2.8 и 2.9 иллюстрируют, как изменяются вид и структура пламени при изменении пульсационной скорости турбулентного потока. Рассматривая рис. 2.8 слева направо, можно видеть, что вначале, в области 1, пульсационная скорость мала и, посколькУ т1, Е ) бь, всЯ тУРбУлентнаЯ энеРгиЯ идет на деформацию фронта пламени.

Верхний фотоснимок на рис. 2.9 72 Глава 2 типичен для этих условий. Пламя имеет гладкую ламинарную поверхность, представляющую собой агломерат округлых вздутий, которые постепенно увеличиваются в размерах по мере того, как пламя распространяется вниз по потоку. Вторая диаграмма на рис. 2.8 соответствует наибольшей деформации пламени, которая наблюдается при т) = бс. Третья диаграмма иллюстрирует стадию при т) ( бс, когда часть турбулентной энергии содержится уже в вихрях внутри зоны пламени и меньшее м — — ОбпааПЬ1 — -м Пбппгипз.

— ОблиОПЬ3-ьЕ(п) Е ~п) Ы а )=в„ Свелся Сгоревишй смесь ' -ь. гоа нвеличение иншенсивиюсши оурбулениносии- Рис. 2.8. Влияние распределения энергии турбулентности по частотам на струк- туру пламени [29). количество ее участвует в процессе деформации зоны пламени как целого. В этих условиях деформация зоны пламени в целом менее выражена, но возмущения, вносимые вовлечением многочисленных малых порций смеси в зону пламени и их сгоранием, проявляются в развитии неровностей («шероховатости») поверхности пламени. При еще более высокой интенсивности турбулентности, в области 3, деформация зоны пламени как целого продолжает уменьшаться и почти вся располагаемая энергия турбулентности сосредоточена в многочисленных малых вихрях. Как видно из рис.

2.8 (четвертая, крайняя справа диаграмма), горение уже невозможно рассматривать как процесс, происходящий вблизи достаточно четко определенных границ в зоне пламени. Горение скорее представляет собой процесс в растянутой и размытой зоне реакции, где весьма энергично внедряются и сгорают вихри свежей смеси. В каждом вихре скорость горения определяется потоком тепла из активных центров от охватывающего вихрь фронта пламени.

При определенных условиях, зависящих от свойств смеси и масштаба турбулентности, химическая реакция внутри 'отдельных вихрей ускоряется до такой степени, уз Эпементм теернн горения Рис. 9.9. Пламена в стехиометрической пропановоздушной смеси при малой н большой пульсапионных скоростях. Вверху и'=ЗЛ и!с! внизу и' Эе.х и/с. что горение возникает почти одновременно во всем объеме вихря.

Вызываемые этим пульсации давления разрывают поверхность зоны пламени, как это можно видеть на нижнем фотоснимке рис. 2.9. ЛАМИНАРНЫЕ ДИФФУЗИОННЫЕ ПЛАМЕНА Для ламинарных пламен в однородных смесях скорость процесса лимитируется скоростями химической реакции и теплопередачи. Даже в системах с не перемешанными заранее компонентами, в которых смешение происходит быстро по сравнению с химическими реакциями, скорость горения может рассматриваться целиком с позиций горения однородных смесей. Однако существуют системы, в которых смешение идет медленно по сравнению с химическими реакциями, так что скорость горения лимитируется временем смешения. Это справедливо для так 24 Глава 2 называемых диффузионных пламен, в которых топливо и окислитель поступают совместно в зону реакции посредством молекулярной и турбулентной диффузии.