Аэродинамика факела Вулис Л.А. Ярин Л.П. (1014145), страница 5
Текст из файла (страница 5)
И для нее, впрочем, могут быть получены различные кривые ш[ Т>), в том числе кривая с двумя максимумами, как в одномерной теории [111. Действительно, характер зависимости скорости горения от средней температуры существенным образом зависит в турбулентном потоке от того, как изменяется интенсивность температурных пульсаций. Последние, в свою очередь, зависят от пульсаций скорости и градиента <Т>, т. е.
от пространственного распределения переменных. Однако достаточно полные опытные данные или результаты детального расчета с учетом поля пульсаций для двух. или трехмерной задачи в настоящее время неизвестны. Поэтому выявление влияния нелинейной зависимости скорости реакции от температуры и концентрации в турбулентном факеле при переходе от актуальных переменных к осредненным является одной из важных задач исследования.
Выше было указано на необходимость учета нестационарного в действительности характера установившегося в среднем турбулентного потока при оценке средней скорости горения. Для расчета турбулентного газового факела, как отмечалось в й 1-1, большое значение имеет приближенная модель диффузионного горения с бесконечно большой скоростью химической рсакции. В этом предположении, естественно, приведенные соображения о расчете среднего значения <ш> остаются за рамками расчетной схемы. На первый план выступает вопрос о разумной аппроксимации эффективных характеристик турбулентного переноса импульса, энергии и вещества. Вопрос этот, однако, не является специфичным для турбулентного горения газа, а относится к общей теории турбулентного пограничного слоя и к опорному для расчета факела разделу ее — к теории турбулентных струй.
Вообще говоря, расчет факела можно построить на основе любой оправдавшей себя полуэмпирической расчетной схемы, принятой в современной теории струй [1, 26, 34). Это относится к методам расчета, развитым в известных основополагающих работах Г. Н. Абрамовича [1, 2), к теории асимптотического слоя [26) или интегральным методам расчета [34, 45). В последние годы интенсивно развиваются полуэмпприческпе методы, основанные на интегрировании совместно с основными уравнениями пограничного слоя урав>(ений баланса пульсацпонной энергии (в обшем случае баланса вторых моментов) [36, 66).
Это направление, вероятно, позволит в дальнейшем увеличить полезную информацию н прп соответствующем развитии экспериментальной методики будет способствовать прогрессу теории турбулентного движения. Практическая реализация его в теории горения газов связана с овладением техникой измерения пульсацпонных характеристик во всем поле факела и в первую очередь в зоне пламени.
В этом отношении особенно перспективными представляются измерения с помощью лазеров (19, 65, 94). Однако полноценное развитие пх и применение в исследованиях процесса горения относится к ближайшему будущему. В настояшее время расчет турбулентного факела сводится к определению полей средних величин — температуры, скорости, концентраций. Для этой цели, как показано в работах (27, 89), серьезными преимуществами перед другими расчетными методами оГ>ладает так называемый метод эквивалентной задачи теории теплопроводности.
Достоинства его сводятся к простоте расчета, возможности получения значений переменных во всем поле течения, наиболее полного учета начального распределения их. Заметим, что первые качественные модели турбулентного горения, основанные на введении по аналогии со скоростью нормального горения в качестве основной расчетной характеристики линейной скорости турбулентного распространения пламени, в дальнейшем обсуждаться не будут. Основанием для этого служит то, что такая характеристика, как скорость турбулентного распределения пламени, является по существу результирующей функцией в сложном процессе турбулентного горения, а не доступной для априорного задания константой,,как для лампнарного пламени.
В конечном счете под понятием аэродинамической теории и метода расчета факела Г>удем, как и ранее, подразумевать такую схематизацию явления, прп которой иа первый план ставится учет явлений переноса. Более того, предположение о бесконечной скорости реакшш делает возможным обобщенный расчет факела на основе полученных в теории струй соотношений. Конечно, такая аэродинамика факела не дает ответа на мною>е вопросы (преждс всего о кинетпке реакций).
В сочетании с теорией теплового режима горения аэродинамическая теория дает разумное объяснение вопросам устойчивости горения, явлениям стабилизаци> и срыва пламени и т. п. Наконец, детальный эксперимент и соответствуюшая обработка данных позволяют (для факела однородной смеси) оценить макрокинетнческие константы реакций, Несомненно, что в будущем ставц>ие в последние годы вновь многочисленными и разнообразными, но еще далекими от завер- 20 щения, попытки создания замкнутой, свободной от эмпирики теории турбулентного движения приведут к соответствую!цему прогрессу и теории турбулентного горения. Пока же нн одно пз зтих направлений, заслуживающих пристального внимания (например, замыкание системы уравнений на уровне кинетического уравнения Больцмана 173], построение упрощенных математических моделей типа модели Бюргсрса (]7] или попытки интегрирования нестацпоиарных уравнений Навье †Сток и др.), не даст подходов к решению инженерных задач, с которыми в первом приближении справляется аэродинамическая теория.
1-3. О ТЕПЛОВОМ РЕЖИМЕ ФАКЕЛА Азродинамическая модель факела неперемешанных газов отражает лишь некоторые, хотя и весьма сушественные, стороны сложного явления. Она, в частности, не позволяет определить ряд важных характеристик процесса, связанных с кинетнкой химических реакций (полноту сгорания, условия стабилизации пламени н т, д.) Предельной схеме диффузионного горевия при бесконечно большой скорости реакцин отвечает в сущности единственный абсолютно устойчивый режим, прн котором осушествляется полное реагирование исходных компонентов. Влияние режимных параметров на тепловой режпм факела в его устойчивость принципиально не может быть учтено в рамках такой модели Прямой путь расчета процесса при конечной скорости реакции связан с интегрированием системы дифференциальных уравнений в частных производных, содержаших нелинейные исто вики тепла и вепзества.
Он не получил достаточного распространения из-за значительных магематических трудностей, с одной стороны, н отсутствия надежных данных о макрокинетических константах, с другой. Зто делает, видимо. нецелесообразным проведение в пастоягцее время массовых численных расчетов газовых пламен на ЗВМ.' Отмеченное обстоятельство стимулирует развитие приближенных аналитических методов, сонета!оп!их иден теории пограничного слоя и теории теплового режима горения [27].
Теория теплового режима горения, берущая начало от известных работ 1! 1!. Семенова [68] и развитая Я. В. Зельдовичем, Д А. Франк-Камеиецким [79] и другими, рассматривает влияние выделения тепла при реакции н условий теплообмена с окружающей средой на характер протекании процесса. Состояние системы определяется интенсивностью тепловыделения п теплоотвода и зависимостью их от температуры, давления и других параметров. Сущестненно, что изменение параметров ведет не только к количественному различию результатов, но и к качественному изменению характера протекания процесса.
В зависимости от конкретных условий могут реализоваться непрерывные бескризпсные режимы, характеризуюшиеся плавным изменением параметров, и критические — гнстерезисные, отличаюшиеся резким, практически скачкообразным переходом от одного устойчивого состояния к другому. В газовых пламенах интенсивность тепловыделення и теплоотвода определяется структурой течения (диффузия реагентов, конвективный теплообмен) и кннетикой химических реакций. Тем самым теп.зоной режим факела отражает органическую связь гвдродинамики течения и горения. Приближенное исследование теплового режима факела неперемешанных газов может быть выполнено на основе квазигетерогенной схемы, сочетающей в себе допушенне о сушествовации бесконечно тонкого фронта пламени с предположением о конечной скорости реакции на фронте.
Физической предпосылкой для тзкой схематизации процесса является то, что переход от по. верхностного горения (диффузионная область) к объемному (кинетическая область) и наоборот осуществляется в весьма узком интернале температур и практически совпадает с критическими режимами воспламенения и потуханпя. 2! Абз — сопз(, 0 (1-З) 7 — Ей где 0 — коэффициент диффузии, й = Аа ехр ( — ~ — константа скорости реак.
, (су', 1 цни [причем й — — , если т'х — характерное время реакции), т„ Из (1-3) следует, что прн ламинарном горении неперемешанных газов ха- рактерный размер зоны реакции порядка толщины фронта пламени в факеле ОДНОрОДНОй СМЕСИ ~6 — 1гт — — Эгг —, а — КОЭффИЦИЕНт тЕМПЕРатУРОПРО- У й У Это позволяет не рассматривать протекание реакции в объеме факела и решать в качестве первого приближения по аналогии с гетерогенным горением задачу о горекип газа на поверхности фронта пламени.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
