145803 (Вихревые горелки)

Содержание :

1. Характеристики закрученных потоков 3

2. Формирование закрученных течений 7

3. Топки, горелки и циклоны 11

4. Характерные особенности закрученных потоков 15

5. Изменение структуры потока с увеличением закрутки 18

6. Структура рециркуляционной зоны 20

7. Вихревые горелки, прецессирующее вихревое ядро

в потоке с горением 22

1. Горение в закрученном потоке 25

2. Пределы срыва и устойчивость пламени 28

3. Проектирование вихревых горелок 29

4. Список использованной литературы 31

1. ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗАКРУЧЕННЫХ ПОТОКОВ

Сильное влияние закрутки на инертные и реагирующие течения хорошо известно и изучается на протяжении многих лет. Когда эффект закрутки оказывается полезным, конструктор старается создать закрутку, наиболее подходящую для решения его задач; если же подобные эффекты нежелательны, конструктор предпринимает усилия для регулирования или устранения закрутки. Закрученные течения имеют широкий диапазон приложений. В случае отсутствия химических реакций сюда относятся, например, течения в вихревых реакторах, циклонных сепараторах и трубах Ранка - Хилша, при срыве вихревой пелены с крыльев самолета, в водоворотах и торнадо, в устройствах для распыления аэрозолей в сельском хозяйстве, в теплообменниках, струйных насосах, а также теория бумеранга и полета пчелы. В течениях с горением широко используется сильное благоприятное влияние закрутки инжектируемых воздуха и горючего на улучшение стабилизации высокоинтенсивных процессов горения и при организации эффективного чистого сгорания во многих практических устройствах: в бензиновых и дизельных двигателях, в газовых турбинах, промышленных печах, бойлерах и других технических нагревательных аппаратах. В последнее время усилия исследователей были направлены на понимание и описание аэродинамики закрученных течений с процессами горения газообразных, жидких и твердых топлив. Экономичное конструирование и экологичность работы технических устройств с горением могут быть значительно улучшены дополнительными экспериментами и модельными исследованиями. При этом экспериментальная и теоретическая аэродинамика течений с горением используется вместе со сложными методами вычислительной гидродинамики. Развитие и совершенствование этих методов позволят значительно снизить затраты времени и средств на программы развития новых устройств.

Закрученные течения являются результатом сообщения потоку спирального движения с помощью закручивающих лопаток, при использовании генераторов закрутки с осевым и тангенциальным подводом или прямой закруткой путем тангенциальной подачи в камеру с формированием окружной компоненты скорости (называемой также тангенциальной или азимутальной компонентой скорости). Экспериментальные исследования показывают, что закрутка оказывает крупномасштабное влияние на поле течения: на расширение струи, процессы подмешивания и затухания скорости в струе (в случае инертных струй), на размеры, форму и устойчивость пламени и интенсивность горения (в случае реагирующих потоков). На все эти характеристики влияет интенсивность закрутки потока. Интенсивность закрутки обычно характеризуется параметром закрутки, представляющим собой безразмерное отношение осевой компоненты потока момента количества движения к произведению осевой компоненты потока количества движения и эквивалентного радиуса сопла, т. е.

(1.1),

где величина

(1.2)

является потоком момента количества движения в осевом направлении и учитывает вклад х - -компоненты турбулентного сдвигового напряжения; а величина

(1.3)

является потоком количества движения в осевом направлении и учитывает вклад турбулентного нормального напряжения и давления (осевая тяга), d/2—радиус сопла, и, v, ω - компоненты скорости в направлении осей х, r,  цилиндрической системы координат.

В свободной струе, распространяющейся в затопленном пространстве, величины G_х и G_ постоянны, т. е. являются инвариантами для данной струи.

Если использовать уравнение для количества движения в радиальном направлении и пренебречь слагаемыми , то вклад давления в G_x можно выразить через ω следующим образом:

(1.4).

Эту характеристику зачастую трудно измерить с хорошей точностью, поэтому используются альтернативные упрощенные ва­рианты. Иногда величину S рассчитывают без учета турбулент­ных напряжений, иногда пренебрегают вкладом давления. В этих случаях величины G_ и G_х при смещении вниз по по­току не сохраняются.

Рассмотрим сначала случай, когда поток закручен как це­лое на выходе из сопла, т.е.

, .

Иными словами, профиль осевой скорости и считается равно­мерным, а скорость закрутки ω возрастает от 0 (при r=0) до ω_m0 (при r=d/2, т.е. на стенке сопла). Если вклад давле­ния в G_х сводится к учету слагаемого ω²/2, а турбулентными напряжениями пренебрегают, то это дает

, ,

где G_х=ω_m0/u_m0 - отношение максимальных скоростей в вы­ходном сечении сопла. Таким образом, параметр закрутки S может быть представлен в виде

(1.5),

где связь S и G проиллюстрирована на рис.1.1, где также приведены экспериментальные значения измеренных независимо величин S и G. Соотношение S ~ G для вращения газа как целого правдоподобно описывает реальный случай истечения из генератора закрутки при G < 0,4 (S  0,2). Однако при более интенсивности закрутки распределение осевой скорости значительно отклоняется от равномерного; большая часть потока выходит из отверстия вблизи внешней кромки; в качестве примера на рис.1.2 приведены распределения осевой, окружной и радиальной скоростей в кольцевом выходном сече­нии генератора закрутки с тангенциальным и осевым подводом, полученные экспериментально при нескольких значениях параметра закрутки. Указанная теоретическая зависимость

Рис.1.1. Соотношение между параметрами S и G, характеризующими закрутку.

Рис. 1.2. Радиальные распределения осевой, окружной и радиальной скоростей на выходе из закручивающего устройства со смешанной тангенциально-осевой подачей, демонстрирующие влияние изменения степени закрутки :

а — осевая скорость; б — окружная скорость; в — радиальная скорость.

S ~ G дает в этом случае заниженные значения S при задан­ных значениях G, так что фактически более реальным оказы­вается следующее соотношение между S и G:

(1.6),

также изображенное на рис. 1.1.

Течение может быть охарактеризовано также локальным параметром закрутки S_x, в котором используется толщина слоя смешения r_b, а не радиус сопла d/2. Кроме того, закрут­ка потока может выражаться непосредственно через угол уста­новки лопаток закручивающего аппарата и геометрические па­раметры сопла, через тягу и вращающий момент закручиваю­щего устройства, через угол расширения струи вниз по потоку от сопла и через другие параметры. Целесообразно связать угол установки лопаток закручивающего аппарата с создавае­мым им значением параметра закрутки. В этой связи для сравнения следует заметить, что угол установки лопаток (φ и параметр закрутки S связаны приближенным соотношением

(1.7),

где d и d_h - соответственно диаметры сопла и втулки закру­чивающего аппарата. Это соотношение вытекает из предполо­жения о распределении осевой скорости в кольцевом канале, соответствующем движению газа как целого, и допущению о малой толщине лопаток, имеющих постоянный угол φ по отно­шению к направлению основного потока и сообщающих потоку постоянную скорость закрутки. Действительно, интегрируя вы­ражения (1.2), (1.3) по r от R_h=d_h/2 до R=d/2, получим

, ,

откуда следует соотношение (1.7). В случае безвтулочного за­кручивающего аппарата (или для аппарата с очень малым отношением d_h/d) приведенное выше выражение упрощается следующим образом:

(1.8),

так что, например, углы установки лопаток 15°, 30°, 45°, 60°, 70° и 80° соответствуют значениям S, равным примерно 0,2; 0,4; 0,7; 1,2; 2,0 и 4,0 соответственно. Здесь предполагает­ся 100%-ная эффективность закручивающего аппарата, но в действительности она уменьшается при увеличении угла уста­новки. На рис.1.3 приведен примерный вид зависимости угла выхода потока воздуха θ для закручивающего аппарата с плоскими лопатками от угла установки лопаток φ и отноше­ния шага установки лопаток к длине хорды σ=s/c. Сле­дует также отметить, что целесообразно использовать изогну­тые лопатки в решетках закручивающих аппаратов, и по неко­торым экспериментальным данным известно, что эффективный угол закрутки, сообщаемой потоку, определяется углом уста­новки задней кромки.

Рис.1.3. Изменение угла выхода θ для закручивающего устройства с пло­скими лопатками в зависимости от угла установки лопаток φ и отношения шага установки к хорде σ=s/c, полученное на основе данных для каскада плоских лопаток (а) и данных для каскада криволинейных лопаток (б).

На рис.1.3 б, приведены соответствую­щие обозначения для угла выхода потока воздуха θ, завися­щего от угла установки задней кромки лопатки φ (равного 180°-γ) и отношения шага установки лопаток к длине хорды σ. Здесь использованы следующие обозначения:

θ - угол поворота потока,

φ - конечный угол поворота лопаток,

δ - угол отставания, равный φ-θ,

γ - угол хорды лопатки, равный 180°-φ,

R - радиус кривизны,

с - длина хорды лопатки,

s - расстояние между лопатками (шаг установки лопаток),

и связь между этими параметрами выражается приближенным соотношением Картера