Аэродинамика факела Вулис Л.А. Ярин Л.П. (1014145), страница 12
Текст из файла (страница 12)
Более полные данные о структуре факела при конечной скорости реакции могут быть получены при численном решении системы уравнений ламинарного пограничного слоя на ЭВМ. В этом случае отпадает (по крайней мере в принципе) необхо- димость в использовании ряда упрощающих допущений относительно механизма реакции, зависимости коэффициентов переноса от температуры и других параметров и обеспечивается возможность проведения расчета для условий, близких к реализуемым в эксперименте. Не обсуждая численных методов решения системы уравнений пограничного слоя реагирующего газа, остановимся вкратце на некоторых результатах расчета структуры факела неперемешанпых газов [7), Система уравнений ламинарного пограничного от.
йга ад а,аз Рис. 3-7, Структура факела ненеремешанннк газов слоя реагирующего газа, записанная в переменных Дородннцына, решалась численно на ЭВМ по неявной двухслойной конечно-разностной схеме. Производные вдоль струи (по координате $) аппрокснмировались разностями вперед; поперек ее (по координате и) — центральными разностямн.
Выбор шагов осуществлялся путем последовательного дробления. В расчетах было принято, что при смешении реагирующих компонент в пограничном слое образуется трехкомпонентная смесь топлива, окислителя и продуктов сгорания, в которой протекает одноступенчатая реакпия. Суммарный порядок реакций был принят равным двум, а температурная зависимость скорости реакции Е выражалась законом Лррениуса: ш=рзс~сз ехр ~ — ). Кроме йТ / того, было принято, что коэффициенты вязкостн, теплопроводности и диффузнн являются линейными функциями температуры, а теплоемкости исходных компонент и продуктов реакции равны между собой и не зависят от температуры. На рис, 3-7 и 3-8 приведены некоторые результаты расчетов, иллюстрирующие развитие процесса при конечной скорости реакции.
Из графиков видно, что при принятых значениях кипе- т Т г а 8 8 18 12 72 рУЬ и се ата 2 Ф б 8 10 12 14 у,0, и % ЮУ й7 Ю 2 Ф 8 8 10 12 1а р/Л Рнс. 3-8. Распределение скоростей температуры, концентраций и скоро- сти горения и поперечных сечениях факела 1 — «1ь=о, г-«а.=ооь а — «1ь=оок ч-«д=кн, и — «н.=ем тических констант и режимных параметров выгорание компонент происходит в весьма узкой области пограничного слоя, .расположенной в зоне максимальных температур. Вне этой зоны во всем поле течения скорость реакции практически равна нулю. 87 Влияние скорости реакции на структуру факела наиболее отчетливо проявляется в начальном участке. Именно здесь концентрация реагентов в зоне горения относительно велика.
Это связано с резким ростом интенсивности подвода компонент (ростом градиентов концентрации) при приближении к устью течения. При конечной скорости реакции это сопровождается расширением реакционной зоны и возрастанием в ней концентраций реагирующих компонент.
Существенно, что при характерных для реальных пламен значениях параметров процесс гоп .„'1' па' с„ 1 йу Д5 ч1 2 5 у/Ь Рцс 3-9. Распределение скорости, тенпсратуры и концентрациИ реа- гентов в диффузионном факеле Штриховая линия — бесконечно большая сиарость реакция, сплошная ливня- конечная скорость реакций рения в факеле протекает в области, близкой к диффузионной. Об этом свидетельствует, в частности, зависимость скорости горения от интенсивности диффузии.
Деиствительно, по мере удаления от среза сопла (см. рис. 3-7, 3-8) и соответствующего этому уменьшения диффузионных потоков наблюдается монотонное снижение скорости реакции, В основном участке концентрация реагентов в зоне горения близка к нулю, а максимальная температура в к адиабатной температуре горения. Таким образом, численный расчет свидетельствует о правомерности ос. повных предпосылок аэродинамической теории факела.
С точки зрения практических приложений этой теории значительный интерес представляет сопоставление результатов численного расчета с решением в предположении о бесконечно большой скорости реакции. Результаты соответствующих расчетов приведены на рис. 3-9. Из графика видно, что данные численного и приближенного решений удовлетворительно согласуются друг с другом. Эффективность численных расчетов особенно высока прн исследовании аэродинамики слоакных типов газовых пламен, расчет которых (даже в приближенной постановке) сопряжен со значительными трудностями.
Характерным примером такого факела может служить так называемый двойной факел, который образуется при горении богатых смесей. В таком факеле некоторая часть топлива реагирует на первичном фронте с окислителем, содержащимся в исходной смеси. Ненрорсагировавшая йИ Ю й07 Рис. 3-10. Распрсдслснис скорости, темнсратуры.
кониентраиий и скоро- сти горения в двойном факеле: а — первичный, о — вторичный фроят часть топлива догорает на вторичном, диффузионном фронте, реагируя с окислителем, содержащимся в окружающей среде. На рис. 3-10 приведены результаты численного расчета структуры двойного факела. Они показывают, что горение однородной смеси на первичном фронте протекает значительно более интенсивно (примерно на порядок), чем горение неперемешанных газов во внешнем фронте. Соответственно этому толщина первичного фронта значительно меньше толщины вторичного.
Это объясняется тем, что скорость горения смеси лимитируется конвективпым переносом, тогда как интенсивность горения не- перемешанных газов определяется более медленным процес. сом — диффузией реагентов Наличие в пограничном слое двух зоп горения отражается на характере распределения скорости и температуры в поперечных сечениях факела и на его геометрии.
В области разогрева и воспламенения однородной смеси (в окрестности первичного фронта) наблюдается резкий, типичный для гомогенного факела подъем температуры. При дальнейшем приближении к вторичному фронту температура монотонно возрастает. Максимум температуры отвечает диффузионному фронту, что касается геометрии пламени, то, как видно из рис. 3-!О, в начальном участке происходит значительное расширение факела, сапровождаюшееся б,0 дг ад Рнс. ЗЛ1. Линни тока в двойном факеле Штриховая линия — фронт плииеии резким смешением вторичного фронта от осн течения. Последнее связано с интенсивным разогревом и расширением газа на внутреннем фронте, Картина течения в этой зоне видна из рис.
3-11, на котором показан характер линий тока в двойном факеле. Из графика видно, что наибольшее влияние на течение оказывает горение на внутреннем фронте. Догорание на вторичном фронте приводит к дальнейшему, по менее сильному расширению трубок тока. Часть вторая ИНЖЕНЕРНЫЙ МЕТОД РАСЧЕТА ТУРБУЛЕНТНОГО ФАКЕЛА Глава 4. Факел неперемешанншх газов 4мь О МЕТОДЕ РАСЧЕТА В настоящее время все большее распространение получают численные расчеты процесса горения с помощью ЭВМ. В принципе становится доступным весьма подробный анализ сложных явлений, связанных с процессом горения в турбулентных струях. Однако по мере развития вы шслительной техники все острее ощущается недостаток в опорных для расчета данных.
В числе их — надежные соотношения, описывающие турбулентный обмен массой, энергией н импульсом, а также достаточно общие микрокипетпческие хзракгерп. стики процесса. В этих условиях возрастает (а нс снижается, как могло бы показаться на первый взгляд) роль приближенных расчетов, опирающихся на наглядные физические модели сложного явленгш. Это связано в первую очередь с возможностью определения на основе приб.чнженных расчетных схем опытных данных, необходимых для решения инженерных зада ь и с оценкой влияния режимных параметров на характер протеиання процесса.
Существенна также связанная с этим простота истолкования не всегда наглядных результатов систематических вычислений на ЭВМ. Сказанное в полной мере относится к расчету развитого турбулентного диффузионного факела. Как правило, такой расчет, основанный иа допущении о бесконечно большой скорости реакции (локализации горения на фронте пла.
мени), отвечающей устойчивому напряженному горению, идентичен (в принципе) расчету ламинарного факела. Различен лишь метод решения газодннзмичсской задачи расчет поля течения вне зоны горения. Для конкретных условий подробный расчет турбулентного факела сводится к интегрированию уравнений переноса п к выбору значений эмпирических постоянных и функций, отвечающих заданной обстановке. В общем случае этот выбор должен отразить наличие большого числа трудно учитывае. мых факторов: формы сопла, начального распределения скорости, температуры и концентраций, уровня начальной турбулентности. Для приближенного инженерного расчета в этом, однако, нет необходимости, Газовые пламена различных конфигураций могут быть рассчятаны с помощью весьма простых соотношений, содержащих результаты решения соответствующих газодинамических задач п средние статистические значения эмпирических ноэффициентов [3), 89, 92].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
