Аэродинамика факела Вулис Л.А. Ярин Л.П. (1014145), страница 13
Текст из файла (страница 13)
Ниже излагается кнженерный метод расчета затопленного турбулейтного диффузионного факела. Расчет выполнен в приближения аэродинамической теории факела на основе метода эквивалентной задаш теории теплопроводностн. В связи с этим в данном параграфе приведены основные положения этого метода, а также эмпирические данные, необходпмые для вычислений. В двух послед)леших параграфах рассмотрена аэродинамика затопленного и спутного факела конечного размера. Здесь же приведено сопоставление расчета н эксперимента, иллюстрирующее возможности применяемого метода.
В 5 4-4 и 4-5 приведен расчет малоизученных тинов турбулентных факелов, образующихся при истечении топлива из прямоугольного сопла или из системы осесимметричных сопл, расположенных равномерно вдоль некоторой окружности. Для расчета структуры диффузионного факела могут быть использованы различные полуэмпирические методы теории струй. Эффективность примене- пения той или иной расчетной модели определяется ее физической наглядностью и математической простотой, а также возможностью сдинообрззного описания различных типов струнных течений. Большое значение наряду с этим имеет возможно более полный учет роли отдельных параметров, влишощпх на развитяе факела. Этим требовааиям применительно к расчету турбулентных струй я пламен в значительной степени отвечает метод эквивалентной задачи теории теплопроводности, получивший н последнее время широкое распространенве (яепосредствеино или в модифицированном виде (1, 9, 12, 27, 50, 53, 77 и др ]).
По существу этот метод сводится к описанию процессов переноса импульса, тепла и вещества с помопгью линейных уравнений вида: дЕ! 1 д ! а дЬг ! д$ т)а дт), дт! ! (4-1) 62 записанных для плотности потока импульса, избыточного теплосодержания и вещества, где Бг=ри, Раб!, риде, $;=5г(х), з1=т!(х, й), й;=й, эт, й, — соответственно для динамической тепловой и диффузионной задач, й=б — отвечает плоскому, й=) — осссимметричному движению.
Для данного типа теченяя вид зависимости ";(х) и 0(х, Р) определяется путем сопоставления одного из соотношений, вытека1ощих из аналитического решения урзвнения (4-1), с экспериментом. Результаты измерений, проведенных при широком варьировании режимных параметров, свидетельствуют о пригодности для затопленных струй н факела приближенной свизи между переменными 5, т! и х, и, а именно ~=у. $;=$;(х) (в автомодельной области $,=саха, с=сонэ!, йт = ко = —" и п=сопз1), обеспечивающей удовлетворительную сходимость опытных и расчетных данных ]26, 27]. Для практического приложения метода, как и любой другой полузмпирической расчетной схемы, существен правильньш выбор чиблепных значений опытных постоянных. Приведем в связи с этим сводные данные о влиянии параметра сжимаемости ы= — на аэродинамику газовых струй (рис. 4-1).
Рср Рстр Из графика видно, что увеличение параметра ы приводит к заметному расширению струйного пограничного слоя и соответственно более быстрому затуханию струи. Характерно, что условные толщнны струи, рассчитанные по би профилям скорости ~ би = и плотности потока импульса (6 и~ = 6.~ бри' , являются соответственно линейными н логарифмическими функ- 6 аи ]и=\ циями со.
Слабая зависимость -распределения ри' от отношения плотностей в струе и окружающем пространстве делает предпочтительным выбор плотности потока импульса в качестве опорной характеристики. В этом случае эмпирическая постоянная с, аамыкающая систему расчета по методу эквивалентной задачи теории теплоироводности, весьма слабо зависит от ш, Эту зависимость можне описать следующим эмпирическим соотношением: = 1 + 0,326 16 ы.
Прн относительно малом различии плотностей газа в струе и окружающей среде можно в приближенных расчетах газовых струй принять значение с=сола!=0,04, т. с. среднему в интервале 0,6<ы<6 Что касается факела, то в нем, строго говоря, процесс турбулентного смешения определяется двумя параметрами: 0 = и ы = —, отражающими наличие трех характерных РФ Рз Рэ уровней температуры (топлива, окислителя и фронта пламени). В первом приближении внутреннюю область факела можно рассматривать как зону смешения струи тяжелого газа (топлива) с более легким газом (продунтаып сгорания), а внешнюю область как зону, в которой струя легкого газа (продукты сгорания) вытекает в атмосферу более плотного (окнслителя) Подробные экспериментальные данные о влиянии парзметров О и ы на аэродинамику факела отсутствуют.
Однако нз обработки известных опытов (зачернея. яые кружки на зависимости с(ы) па рнс. 4-1) следует, что при расчете гззовоздушных даффузиоиных пламен можно пренебречь температурной зависимостью опытной постоявной н припять с=О 04. йаб (),00 аог г 5 4 55755 2 5 4 55755 ! 5 4 55752 2 5. ! 54755 ре[ ),0 !а 100 Рис 4-1. Зависимость условной толщины струн от параметра ы ! — ы=0,27 [вй г — ы=з,э4 ( В.
Г. жнно ), 5 — ы=) [Ш), 4 — о=)О [11, 5 — ы=) [11, 5 — ы=) [47), 7 — Ф=зо (оп пы 51. и ярона [261, 8 — о!=56 [471, э — Ф=з,з 174), !Π— в=50 (опыты л. и. ярнна [26)). )1 — ы=14 (опыты и. г. забудкнной 12ь)), )2 — в=14,1 [741, ы — ы=)5 113), !4 — ы=ззо ( пыты Б. Ф. глнк- ыааа [Ц), !5 — диффузионный факел Приведенные данные отвечают истечению струй с равномерным профилем скорости н относительно низким (е<)о)о) уровнем начальной турбулентности. Повышение интенсивности пульсаций (искусственная турбулнзацня) приводит (см. гл.
7) к более быстрому затуханию струи и к изменению численных значений эмпирической постоянной с. Это является естественным, так как в методе эквивалентной задачи теорви теплопроводности влияние различных факторов, отражающих особенности течения, проявляется в конечном счете на значснни эффективной переменной $. Заметное влияние оказывает также неравномерность начального нрофнля скорости, формирующаяся прн обтекании сопел. На рнс.
4лй приведены данные о смешении турбулентных струй при различной 'степени неоднородности начального профиля скорости '. На графиках показаны зависимости ЬТ (т), отвечающие различной форме начального профиля. Из рисунка видно что кривые БТ (т) не являются монотонными * Искусственное регулирование неоднородности начального профиля скорости осушествлялось с помошью специальных колец, устанавливаемых на внешней поверхности сопла н окрестности среза. Оценка ивтенсивности смешения пронодилась по данным измерений температуры в фнксированных точках яа оси струи.
ез В некоторой области значений параметра аа наблюдается рост ЛТ прн увеличении скорости спутного потока. Дальнейшее повышение т приводит к уменьшению ЛТ . Максимуму зависимости ЛТм(ш) соответствуют условия минимального смешения. Как показывают измерения, местоположение максимума кривой ЛТ (ш] существенно зависит от неравномерности начального профиля скорости. Это можно объяснить следующим образом. Прн смешивании однородных потоков (пренебрежении влиянием начальной неравномерности) интенсиввость смешения уменьшается по мере сближения скорости струи и спутного потока, по мере уменьшения градиента. Соответственно этому значения ЛТ монотонно й,б (а Рис.
4-2. Зависимость ЛТ (т) при различной неравномерности на- чального профиля скорости 6 6 6 6 г — — =0.01, 3 — — — о озз з =э оь ч — =о,! (6 — толшнна кшонкн сопла) возрастают в области изменения параметра пг от О до !. Прн ла> ! градиенты скорости увеличиваются. Это приводит к интенсификации турбулентного обмена и снижению ЛТ~ Таким образом, при смешении однородных потоков минимальное перемешнвание будет наблюдаться при т==1.
В реальных условиях (при наличии пограничного слоя аа поверхности сопл) процесс определястся двумя противоположными по характеру влияния факторами — умень. шепнем градиента скорости (при ш-к.1), приводящим к снижению интенсивности смешения, и вырождением начальной неоднородности, вызывающим ее увеличение.
Поэтому значения параиетрз т, отвечающие минимуму смешения, смещаются в область значений ш, меньших единицы. Аналогичная картина наблюдается и в газовых струях. При этом в случае истечения струи легкого газа в поток более плотного неоднородность профиля скорости оказывает более сильное влияние на процесс смешивания, чем при истечении тяжелого газа в атмосферу легкого. Это связано с тем, что при смешении легкого газа с более плотным характерные параметры струи (например, срсдняя плотность) изменяются резче, чем при истечении тяжелого газа в атмосферу легкого. Приведсниые данные позволяют оценить (по край- 64 ней мере качественно] влияние условий истечения на характеристики газовых струй и факелов. Онн объясняют, в частности, наблюдаемую в экспериментах зависимость длины диффузионного факела от скорости спутиого потока и несоответствие 1» м«х значению т= 1 (27, 39].
При расчете спутных струй уравнение (4-!) записывается для избыточного импульса +: дриЛи 1 д ]' дрийи ) де« у» ду ], ду (4-3) где Ли=и †„, и — скорость спутного потока. Так как при спутном движении интенсивность турбулентного обмена определяется не только соотношением плотностей смешивающихся потоков, но н отношением их скоростей, то эффективная переменная З ззвисит также от параметра т. Эта зависимость может быть найдена по данным измерений риЛи при различных значениях т и ы. Для приближенного кнженерного расчета может быть рекомендовано следуюшее эмпирическое соотношение*"; Т г и' в =ф'яа 1+ т)/ы (4-4) УГ= у'ь.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
