Аэродинамика факела Вулис Л.А. Ярин Л.П. (1014145), страница 2
Текст из файла (страница 2)
10'), а затем к уменьшению ее (кривые 7П для Йе>15 ° 10'). Качественное соответствие завис>имостн и =1(тсе) в этих течениях отражает общность процессов переноса в свободных струях и в факеле. Эта общность лежит в основе аэродинамической теории факела. Нагляд>>ое представление о характере перестройки поля течения в свободной струе при изменении числа зсе дают данные о распределении скорости 4 фа 7! ат 45 йг Л.) 5 1 7 Х Ф 5 Х 5 а 5 17 15 75 Х Рис, 1чп Изиенснвс скорости вдоль оси осесиииетрнчиой струн и факела прн различима значениях Йс: а — струя 7 — Не=2079, 2 — Не=2700, а — Не=ЗСОО, 4 — Не=4000, 5 — не=4759, 5 — Не=5500, 7— Н =Оаа>, а-ие=>аЗОО, 9 — Не=ЗМОО, Ю вЂ” Н =Ззаса б — факел 7 — Не=зтаа, 2 — Не=0909, 3 — Не=О!00, 4 — Не=9700 в поперечных сечениях струи.
Они показывают, что при Ке= =2070 профили скорости в области изменения относительной — х длины х= — от 0 до 13 близки к параболическим, а затем (при х>19) приобретают вид, характерный для свободных турбулентных струй. При более высоком начальном значении числа 1се (зхе=2300) профили скорости заметно деформиру>отса уже при х>2 и при дальнейшем удалении от насадка соответствуют профилям развитой турбулентной струп.
Измерения показывают, что резкая перестройка поля течения происходит в весьма ограниченной по размерам области струйного дан>кения. Переход от параболического профиля к струйному локализуется в зоне протяженностью не более 3 — 4 калибров. В этой области происходит заметное изменение не только локальных, но н интегральных характеристик.
Здесь же интенсивность турбулентных пульсаций достигает максимального значения. Более отчетливая картина изменения параметров в свободных струйных течениях при переходе от лампнарного движения к турбулентному приведена на рис. 1-3 в виде зависимости — "'" =1' (Ве) для фиксированных значений х= — Приближенно не "о она показана в верхнем углу рисунка, Видно, что на зависимости и =)(Ке) можно выделить условно четыре характерных участка. На первом пз них в соответствии с аналитическим решением задачи о ламинарной струе [26, 54) значение скорости растет пропорционально числу Рейнольдса.
Это связано с относительным снижением роли вязкости (повышением роли инерции), приводящим к.росту дальнобойкости струи. На втором участке вследствие потери устойчивости и возникновения крупномас- и /и н» а а в гг ы га га га,тг и ае гач Рнс. 1-3. Изменение скорости н фнкснроаанных точках на осн струи в аа- анснмостн от числа гте штабных пульсаций наблюдается качественное изменение характера зависимости и =)(Рте) — величина и резко падает при увеличении числа Рейнольдса.
На третьем участке, также относящемся к переходной области, ио имеющем значительно большую протяженность (по числу Ке), наблюдается рост и при увеличении Ке. В этой области, как и при ламинарном движении, интенсивность затухания скорости при увеличении Ке вновь падает.
По-видимому, это связано со своего рода упорядочением структуры течения при образовании развитого турбулентного движения. Последний — четвертый участок — отвечает области развитого турбулентного движения, для которого характерна автомодельность по числу Рейнольдса. Приведенные данные относились к истечению свободных струй пз длинных трубок. В этом случае при изменении числа Ке изменяется и форма начального профиля. При истечении из профилированных сопл, обеспечивающих практически неизменное начальное распределение скорости, качественный характер развития струи при изменении тсе сохраняется (29). Для обоих случаев истечения (нз длинной трубы н из профилированного сопла) общим является своеобразный подход «снизу» к авто- модельному турбулентному режиму на кривой и =пьч(12е).
Это обстоятельство — уменьшение интенсивности затухания струи при увеличении числа Ке (на третьем участке) прн критическом характере перехода — отмечалось ранее в работах [38, 96]. На рис. 1-4 показано распределение температуры вдоль осн неизотермической струи при различных значениях числа Ке. Из 4тм бта бб б2 б,б 0 б 4 б !2 Гб 2б л/Е Рис. Ц4. Распределение температуры вдоль оси струи прн различных значенннх Ке З вЂ” а =ВЗО, г — Я =МОО, З-Я =г4ОО, 4 — Яе=ЗМО, З вЂ” Не= =ЗООО, Π— 'Не=4~Оп, т — 'Ке=ЗООО, З вЂ” Ке=З4ОО, з — Не=-» ЗОО графика видно, что интенсивность затухания температуры иа оси струи существенно зависит от числа Кс, При относительно низких значениях тсе, соответствующих началу перехода от ламинарного течения к турбулентному (второй участок на кривой рис.
1-3), увеличение числа Ке приводит к росту интенсивности рассеивания тепла. При дальнейшем увеличении чиста Ее наблюдается уменьшение скорости затухания температуры вдоль оси струи, и, наконец, при тсе>10' распределение температуры становится практически независимым от начальной скорости истечения. Сугцественно, что характер изменения основных величин в зависимости от числа Ке сохраняется и в струях переменной плотности. Некоторые данные, относящиеся к таким течениям, приведены иа рис.
1-5. Из ~рафиков видно, что прп истечении струн легкого газа в атмосферу более тяжелого (и наоборот) 8 наблюдается немонотонное изменение ри' =1(йе). В области относительно малых значений чисел Яе интенсивность затухания импульса возрастает и достигает максимума при Бе=4 ° 108. Прп дальнейшем увеличении )хе происходит некоторое уменьшение скорости изменения рип по оси, и наконец, прп Ее>2 10' течение становится автомодельным. Результаты ряда исследований переходной области в свободных струях (в том числе и измерений, относящихся к истечению Р„и'„ р,и, ав дг а а В 7З 7б И худ Рпс. Р5.
Распределение рпз вдоль оси газовых струй Штриховая линия — воздух (1 — не=2700, 7 — Ке 4000, В— Ке=!88001, сплошная хинин — фреои 44 — Ке=2840.  — Ке= 4000,  — Ке=181001. штрих-пунхтнрн໠— гелий 17 — Ко=- =2460,  — ив=8600, 9 — Ке=165601 струй при наложении вынужденных колебаний, генерируемых механическим турбулпзатором) показывают, что во всех изученных случаях (истечеиие из труб и сопел) зависимость и =1()се) носит немонотонный характер.
Что касается наложенных механических возмущений, то они, как и другие (например, акустические воздействия), приводят к смещению перехода в область малых значений чисел Рейнольдса. При достаточно больших значениях числа Струхаля характерный экстремум зависимости и (Яе) полностью вырождается. Переход от ламинарного режима течения к турбулентному в свободных струях качественно отличается от перехода в других видах течений. Речь идет о том, что при потере устойчивости ламииарного движения интенсивность обмена в переходной области возрастает настолько, что превышает значение, соответствуюгцее развитому турбулентному движению. Аналогичная картина изменения ряда характеристик при изменении числа Ке наблюдается и в газовых пламенах. При относительно низких скоростях истечения длина факела растет пропорционально числу Ве.
Такая зависимость соответствует ламинарному течению, которое сохраняется в данном случае до значений (те= (4 †: 5) ° 10'. При увеличении скорости истечения (при Яе>4 10') наблюдается отклонение зависимости 1ф(1(е) от линейной. Наблюдения показывают, что в этой области значений чисел Ке в вершине факела появляются пульсации. Они нарастают по мере увеличения скорости истечеьшя и вызывают разрушение ламинарного фронта и турбулизацию факела. Дальнейшее повышение скорости истечения приводит к смещению зоны интенсивной турбулизации по направлению к устью горелки и сокращению длины факела. Пря развитом турбулентном 11впженин длина факела 14 — — — не зависит от скорости 14 оа истечения.
Таким образом, переходной области отвечает характерный экстремум зависимости (э=(ф(1(е), обусловленный взаимоналожением влияния молекулярного и молярного переноса. Эксперименты показывают, что изменение длины факела в переходной огбласти определяется рядом параметров (24, 57, 85). Так, в частности, прн увеличении диаметра сопла, из которого истекает топливо, изменяется вид зависимости 14(Ке). При малых размерах сопл наблюдается экстремальная (критическая), а при больших г(е монотонная (бескризисная) форма перехода.
Изменение формы перехода связано с влиянием подъемных сил, соизмеримых при умеренных скоростях истечения с силаьш инерции. Наличие неравномерного поля температуры (или плотности) приводит к изменению распределения скорости в поперечных сечениях и к увеличению ее градиента во внешней области факела, Турбулпзация пламени, возникающая в результате конвективной неустойчивости, предотврагцает «затягивание» ламинарного режима в область больших значений Яе и способствует изменению формы перехода от критической к бескризисной. Турбулнзации свободного факела способствуют также некоторые другие воздействия (акустические, механические и т.
д.). По-видимому, вследствие этого в ряде экспериментов не был обнаружен второй, характерный для струйных течений, экстремум — минимум зависимости 14(йе). При частичной изоляции факела от внешней среды наличие второго экстремума подтверждено экспериментально.е В зависимости от способа подготовки горючей смеси различают два предельных случая — горение однородной стехиометрической смеси и предварительно не перемешанных газов.
* В этих опытах факел помещался внутри металлического цилиндра большого диаметра. 10 Эти два типа факелов принято называть также гомогенным и диффузионным. Наряду с этим диффузионное горение противопоставляется кинетическому горению и по другому признаку — лимитирующему в сложном процессе явлению — транспорту (диффузии) реагентов к мссту сгорания или кинетике химических реакций.
При этом первый тип горения — диффузионный — наблюдается и прп горении неперемешанных газов (здесь лимитирует смесеобразование, а скорость реакций па фронте пламени практически бесконечно велика), и при горении однородной смеси (диффундирующей к фронту пламени). В обоих случаях из-за быстрого, теоретически мгновенного сгорания концентрация компонент горючей смеси на поверхности фронта близка к нулю. В противоположном случае — кинетического горения — скорости реакций низки, а диффузии относительно высоки.
Поэтому в объеме факела при раздельной подаче топлива и окислителя реагирующие компоненты успевают перемешаться. В результате независимо от способа подачи реагентов кинетическое горение осушествляется во всем объеме факела. Однако интенсивность такого горения, как правило, весьма низка. Поэтому переход от кинетического горения к диффузионному (н одновременно от объемного горения к поверхностному, фронтальному) отождествляют с воспламенением, а обратный переход — с потуханпем. Подробнее об этом будет сказано в ф 1-3, посвященном тепловому режиму горения. Что же касается терминолоюш, то будем в дальнейшем преимушественно называть диффузионными фронтальные факелы, не отказываясь впрочем (там, где это не может вызвать недоразумений) и от противопоставления диффузионного факела неперемешанных газов гомогенному факелу однородной смеси.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
