Процессы в камерах сгорания ГТД Лефевр А., страница 15

Топливо при этом может быть струей газа, жидкой или твердой поверхностью. Соответственно существуют два вида лимитируемого диффузией горения, отличающихся первоначальным физическим состоянием топлива и/или окислителя. Если топливо и окислитель находятся первоначально в газообразном состоянии, то пламя называют диффузионным или (иногда) струйным. Если топливо и окислитель вначале имеют разные агрегатные состояния, т.

е. жидкое и газообразное или твердое и топлнпо газообразное, то, хотя горение по-прежнему лимитируется диффузией, процесс обычно называют гетерогенным горением, рнс. зло. свойонное струйное анффу- Примерами этого могут слузнонное пламя 130]. жить горение капель углеводо— граница распространания струи; у — паапа; 8 — потанпнаааноа ядро струи. родного топлива и горение угля в воздухе. В отличие от пламен в однородной смеси, имеющих очень тонкую зону реакции, для диффузионного пламени характерна широкая зона физико-химических превращений.

Это отличие имеет причиной исключительно взаимодиффузию реагентов н продуктов реакции, так как сама реакция, очевидно, происходит быстро и в очень тонкой зоне. В таких условиях имеются, по существу, две диффузионные скорости, и представление о скорости распространения пламени теряет свой смысл. Поэтому обобщение обычно проводят, используя массовый расход сжигаемого топлива или высоту пламени, связанную с указанным расходом.

При исследованиях ламинарных диффузионных пламен две разновидности их представляют непосредственный интерес. Первая — это свободный струйный факел пламени, образованный струей топлива или воздуха, вытекающей из трубы соответственно в неподвижный воздух или среду газообразного топлива, как показано на рис. 2.10. Топливо, втекающее в покоящийся воздух, и воздух, втекающий в среду газообразного топлива, создают одну и ту же картин] горения, поскольку она определяется только диффузией или смешением.

Вторая разновидность ламинарного диффузионного пламени связана с несколько иной схемой смешения: топливо и окислитель подводятся по двум концентрическим цилиндрическим трубам раздельно (рис. 2.11). В этом случае топливо и окислитель также можно поменять местами без каких-либо изменений во внешнем виде'пламени. В зависимости от отношения расходов топлива и окислителя возникает «прямой» или «обраи1енный» факел пламени. В том конкретном варианте, который изображен Элементы теории горения на рис. 2.11, т. е.

с подачей топлива по внутренней трубе, прямой факел соответствует отношению расходов меньше стехиометрическогс. В работе [30] проводились измерения концентрации водорода, кислорода и азота на различных расстояниях по высоте Рнс. 2.11. Закрытое диффузионное пламя. à †прим пламя; 3 †обращенн пламя. и радиусу диффузионного пламени. Предложенная авторами структура пламени, показанная на рис.

2.12, может рассматриваться как типичная для ламинарных газовых диффузионных пламен. На рисунке видно, что концентрация газового топлива лоранса Радиус гринго пламени Чароногппамени Рис, 2.12. Профили концентрации в свободном струйном диффузионном пламени на определенном расстоянии от сопла [301. падает от ее значения на осевой линии до нуля во фронте пламени, а концентрация кислорода от нулевого значения во фронте увеличивается до ее значения в окружающей пламя среде (или во внешнем по отношению к пламени потоке). Концентрация продуктов сгорания максимальна во фронте пламени.

Считается, что топливо и окислитель достигают фронта пламени в стехиометрическом отношении и реагируют мгновенно с образованием продуктов сгорания. Заметим, что зона пламени тонкая. Это означает, что скорости химических реакций чрезвычайно велики по сравнению со скоростью диффузии. Вне пламени 76 Глава 2 не обнаруживается ~оплива, а внутри его — кислорода. Отметим также, что в результатс диффузии продукты сгорания обнару>киваются по обе стороны пламени, чего не бывает в случае ламинарных пламен, распространяюшихся в смесях. Действительная структура пламени сложнее, чем это предполагает изложенная концепция, поскольку кроме молекулярных компонентов, определяемых обычным отбором и химическим анализом проб газа, в пламени присутствуют также свободные атомы и радикалы.

ТУРБУЛЕНТНЫЕ ДИФФУЗИОННЫЕ ПЛАМЕНА Хаусорн и др. )30, 31) изучали, как меняются видимая длина факела и поле концентраций для струйных пламен прн истечении горюче~о газа через круговые сопла в неподвижный воздух в зависимости от объемного расхода газа. Наблюдавшееся в опытах изменение высоты пламени показано на рис. 2.!3. Пока в в го Заеличение скорое~он на ваиеоде из горелки Рис. 2ЛЗ, Эволюция диффузионного пламени при увеличении скорости газа на срезе сопла 130]. т — егнбающан длин плапенн; 3 — агабающан тачек перепада.

режим истечения оставался ламинарным, высота пламени увеличивалась с увеличением объемного расхода газа. При числах Рейнольдса для холодной струи около 8000 вблизи вершины пламени начинался переход к турбулентному режиму течения. Переходное значение числа Рейнольдса в диффузионном пламени сильно зависит от 'рода топлива. Кроме того, если турбулизовать либо поток топлива, либо поток воздуха, результатом будет турбулизация факела пламени. При параметрах потоков, близких к критическим (переходным от ламинарного режима к Элементы теории горение турбулентному), только верхняя часть пламени турбулентна; ближе к устью горелки факел сохраняет вид ламинарного пламени.

При дальнейшем увеличении объемного расхода общая высота пламени несколько уменьшается, но высота ламинарного участка уменьшается прн этом значительно больше. При достижении определенного расхода обе характерные высоты приобретают свои предельные значения и дальше уже почти не меняются. Точка (линия), отделяющая ламинарную часть факела от турбулентной, называется точкой перехода. Для больших объемных расходов точка перехода находится очень близко к устью горелки. При увеличении объемного расхода вблизи устья горелки возрастает шум пламени и уменьшается его свечение.

В конце концов из-за чрезмерно большого расхода газа становится невозможно обеспечить стабилизацию пламени. Аналитическое описание турбулентных диффузионных пламен находится в значительно более завершенном'состоянии по сравнению с пламенами в смесях, поскольку в диффузионных пламенах скорость горения лимитируется процессом смешения в свободной изобарической турбулентной струе, который достаточно хорошо изучен. Кроме того, сам по себе процесс горения несуществен для описания явления в целом, поскольку скорости химических реакций предполагаются бесконечно большими. Смешение в струе При истечении жидкости из сопла она во взаимодействии с окружающей средой формирует струю. На рис. 2.14 показаны паола 1 Рис.

2Л4. Характерные участки струн. т ачтаачааааача чари т — аачааааий участчсн 3 асйатчааий тчастча' 4 оса оаач часток. характерные участки свободной турбулентной струи. Непосредственно за соплом находится потенциальное ядро струи, внутри которого сохраняются те же значения скорости и концентрации, что и на срезе сопла. Вне ядра формируется свободный пограничный слой, в котором обмен количеством движения и массой происходит в направлении, перпендикулярном оси струи. Вниз по течению от ядра после переходного участка начинается участок полностью развитой струи.

Потенциальное ядро имеет длину 4 — 5 диаметров сопла, а переходный участок в около 10 диаметров сопла. Основные участки турбулентных струй, т. е, участки полностью развитой струи, подобны. Следовательно, осевые 78 Глава 2 и радиальные профили скорости и концентрации в струях могут быть описаны универсальными и достаточно простыми соотношениями. Скорость в любой точке на оси струи дается выражением о 016 15 Гтп~ н о (2.42) где (/о — начальная скорость на срезе сопла, У вЂ” максимальная скорость при некотором значении х, х — расстояние от среза сопла. Поскольку механизм переноса количества движения и массы один и тот же, соотношение для распределения концентрации по оси аналогично: — ' = 0,22 — — 1,5. (2.42а) г х — ь.

Рис. 235. Безразнерные профили скорости и концентрации в свободной струе (ЗЦ. — профиль скорости; — — — нрофнль концентрации. (2.43) (здесь значение К„находится в диапазоне между 84 и 92) и с — — ехр~ — Кс( — ) ~, где К, составляет от 54 до 57. Эти профили имеют непосредственное отношение к изученюо пламен. Используя теорию свободной турбулентной струи, Хаусорн и др. [31] получили следующее простое соотношение для длины турбулентных струйных пламен: (2.44) (2.45) Здесь Со — начальная концентрация на срезе сопла, С максимальноезначение концентрации при некотором значении х. , Благодаря подобию профилей скорости величина отношения ь//У вЂ” отношения скорости в любой точке струи к скорости на оси при том же значении х — остается постоянной, если ее выражать как функцию г/х, где г — радиальная координата.

Это справедливо и для распределения концентраций. Безразмерные профили скорости (//(/ и концентрация С/С показаны на рис. 2.15. В предположении гауссовского закона распределения для (//(/ и С/С получаются следующие выражения: 79 Элементы теории горения где Т вЂ” видимая длина пламени, г7 — диаметр сопла, Т; — адиабатическая температура пламени, Ти — температура на срезе сопла, Чт, Мгг — молекулярные массы вещества окружающей среды и вещества струи соответственно, С,— мольная доля вещества струи в стехиометрической смеси с веществом окружающей среды, гхг — отношение количества молей реагентов к количеству молей продуктов в стехиометрической смеси.

РАСПРОСТРАНЕНИЕ ПЛАМЕНИ В ГЕТЕРОГЕННЫХ СМЕСЯХ В=а, Сз  — Ф Рг77зт ог1" 8С,рг!и Н + В) Яь ] (2.46) где а,— коэффициент температуропроводности для смеси пол- ностью испаренного топлива с воздухом, й — исходная доля ис- паренного топлива,  — параметр массообмена, Си Ст — пара- метры распределения капель по размерам.

Исследований распространения пламени в гетерогенных топливовоздушных смесях проведено очень немного. Одной из первых опубликованных работ в этой области был классический анализ Бургойна и Коэна [32]. К числу сравнительно недавних публикаций относятся работы [33 — 36). Малочисленность публикаций неудивительна, если принять во внимание сложность эксперимента. Главная трудность состоит в создании однородной и воспроизводимой газокапельной взвеси. Непроста и проблема точного определения размеров капель, распределения их по размерам, суммарного коэффициента избытка топлива и концентрации паров топлива. Вще одной трудной задачей в таких экспериментах является измерение скорости распространения пламени по смеси; при этом серьезные ошибки возможны из-за того, что продукты сгорания вследствие действия подъемной силы могут перемещаться относительно пламени вверх, а капли топлива под действием силы тяжести — вниз.

Эти эффекты особенно существенны в медленногорящих смесях, поскольку соответствующие скорости оказываются того же порядка, что и скорость распространения ламинарного пламени. В работе [36] была предложена модель распространения пламени по неподвижной горючей смеси, содержащей топливо в виде капельной взвеси, пара нли того и другого. Модель основывалась на предположении, согласно которому скорость распространения пламени через топливную взвесь в нормальных стационарных условиях всегда такова, что время вырождения зоны реакции равно сумме времени испарения и времени химической реакции.