Вибрационное горение Раушенбах Б.В. (1014147), страница 51
Текст из файла (страница 51)
Что касается первого пути, то надо сразу сказать, что воздействовать на фазу такого сложного явления, как отрыв вихря, очень трудно. Если же пойти по второму пути, то простое конструктивное мероприятие — установка спрямляющих решеток на пути следования вихря — может оказать существенное воздействие на процесс внбрационного горения. Спрямляющие решетки употребляются, как известно, в тех случаях, когда оказывается необходимым «успокоить» течение, придать всем его струйкам направление, параллельное стенкам трубы. Эти решетки представляют собою набор тонких пластин, обычно пересекающихся под прямым мвхлниэмы овглтнон связи [гз, и1 углом, установленных в каком-либо сечении трубы так, чтобы плоскости пластинок были параллельны оси течения.
Обычно оказывается достаточным установить последовательно две такие решетки на некотором расстоянии друг от друга. Решетки этн могут обладать малым гидравлическим сопротивлением и не менять сколько-нибудь существенным образом характер течения, если не считать его «успокоения». Действие этих решеток сводится к тому, что большой вихрь, пройдя сквозь такую решетку, как бы разрезается на много маленьких вихрей. В результате к зоне горения вместо одного мощного вихря, способного сильно деформировать поверхность фронта пламени, подходит совокупность большого числа мелких вихрей, которые воздействуют на пламя не как фактор, деформирующий его поверхность, а просто как поток несколько повышенной турбулентности. Хотя процесс горения и зависит от турбулентности набегающего потока, эта зависимость не может идти ни в какое сравнение с мощными искажениями конфигурации фронта пламени большими вихрями.
В нижней части рис. 69 дана схема течения при установке перед зоной горения спрямляющих решеток С. Высказанные здесь общие соображения были подтверждены специальными экспериментами. Схема экспериментальной установки по существу изображена на рис.
69. Труба, в которой была расположена камера сгорания, обдувалась свободным потоком. Входная часть этой трубы допускала возникновение мощных вихрей. Для того чтобы разорвать возникающую при этом связь между процессами вихреобразования и горения, в сечениях, близких к зоне горения, были установлены две спрямляющие решетки. Опыты заключались в том, что изучался процесс горения (с точки зрения возможности возбуждения вибрационного сгорания) со спрямляющими решетками и без них.
При постепенном увеличении подачи горючего (уменьшении коэффициента избытка воздуха а) наблюдалось изменение характера колебаний. Предварительно было определено влияние спрямляющих решеток на степень завихренности воздушного течения перед зоной сгорания. Это производилось следую|цим образом. При холодной продувке установки, путем дрос- 6 663 мгхАни ямы, сРЯзлннык с Гидгомвхлн ЯРлвниями 200 селирования выходного сечения трубы, получался тот же расход воздуха через установку, что и расход, который наблюдается при горении.
Затем в сечении, лежащем за второй спрямляющей решеткой, при помощи термоанемометра определялась степень завихренности течения. Здесь следует оговориться, что термин «завихренность» 7Р /Х з',Р ~Х Дгт сз ряс. 70. Влияние внхрообразозанвя неуед зоной горения на склон- ность системы к яозоужденню. применяется в настоящей книге для обозначения турбулентности болыпого масштаба, образовавшейся в результате срыва больших вихрей в участках трубопровода, лежащих перед камерой сгорания. Результаты измерения колебаний скорости дали степень завихренности без спрямляющих решеток 70%, при установке спрямляющнх решеток — 20%. Относительно приведенных здесь численных данных надо заметить следующее. Применявшийся в опытах термоанемометр не был приспособлен для замера столь интенсивной турбулентности. Поэтому приводимые здесь численные данные следует рассматривать как качественную характеристику степени завихренности потока.
Они не оставляют сомнения в том, что установка решеток заметным образом уменьшает степень завихренности потока. Результаты опытов приведены на рис. 70, на котором даны аьшлитуды колебаний давления перед зоной сгорания бр в зависимости от коэффициента избытка воздуха, 304 1сл. ЧН МВХАНИЗЫЫ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ Кривая а характеризует работу установки прн налнчии спрямляющих решеток, кривая в — без них.
Как видно из экспериментально полученных кривых, установка спрямляющнх решеток ликвидирует мощное вибрационное /бр горение( Р = 1 )и сводитколебаниядавления к нормальному уровню ( — < 0,1). При этом осциллограммы за/бр ч фиксировали различный характер самих колебаний. При вибрационном горении (крпвая в) колебания носили совершенно четкий и регулярный характер, при нормальном горении (крнвая а) наблюдался сложный и неопределенный спектр частот.
Таким образом, в описанном опыте (и ряде других) совершенно ясно сказалось благотворное влияние разрыва связи между вихреобразованием перед зоной горения и процессом сгорания. Конечно, установка спрямляющих решеток не является единственным способом разрыва этой связи. Если вихреобразование обязано своим возникновением наличию плохо обтекаемого тела во входных участках, то тот же эффект может быть достигнут удалением этого тела или приданием ему удобообтекаемой формы. Важность таких мероприятий иллюстрирует кривая б на рис. 70. Эта кривая соответствует опытной установке со спрямляющими решетками, отличающейся тем, что за решетками на стенках трубы располагались (из конструктивных соображений) бабьппки в форме параллелепипедов. Когда им была придана удобообтекаемая форма, вибрационное горение прекратилось и относительные амплитуды колебания давления упали до допустимого уровня — Йм 0,1.
бр ч Надо сказать, что общих, стандартных средств борьбы с вибрационным горением, возникшим в связи с вихреобразованнем в холодной части течения, не существует. В каждом конкретном случае надо находить источник этого вихреобразованин и принимать соответствующие меры; Иногда это будет установка решеток или придание удобообтекаемой формы телам, в других случаях это может быть установка направляющих устройств (например, направляющих лопаток на участках крутого поворота ," ,66! мкхАнизмы, связАпнык с гидгомкхА!! яв!1кш!Ями 305 течения), отсос пограничного слоя илп другие меры, хорошо разработанные экспериментальной аэродинамикой.
При желании представить рассмотренный механизм обратной связи в виде аналитических зависимостей возникают известные трудности. Они связаны с недостаточной разработкой вопросов вихреобразования и отсутствием количественных данных о влиянии приносимого в зону горения вихря на изменение конфигурации фронта пламени. Если этими даннымп задаться (или, изучив обсуждаемое явление экспериментально, воспользоваться опытными данными), то дальнейший путь совершенно очевиден. Движение цепочки вихрей через фронт пламени приведет к периодическому изменению объема горячих газов в зоне горения о, и в соответствии с результатаап! ~ !6 можно будет написат!к (36 А) где, как известно, Г„(!) — объем зоны и, занятый продуктами сгорания, а г' — площадь сечения потока.
Расстояние между фронтом пламени и местом образования вихрей КАв (рис. 69) позволит связать фазу отрыва вихря с фазой соприкосновения его с фронтом пламени аналогично тому, как это делалось в ~ 35, путем введения а'АВ множителя ехр ио( с — — (. У.М1,) ' В результате нетрудно получить формулы того же типа, что и формула (35.2), например: с!=С(!Р~(!о' )о +'р~(66 )Р )ехр'е!(т — ) . (36.2) Последняя формула написана в предположении, что отрыв вихря связан с колебаниями скорости в точке А, постоянная С вкл!очает численную характеристику отрывающегося вихря (его фазу и амплитуду, которая считается пропорциональной возмущению в1 в точке А).
Как видно из (36.2), п в этом случае возникает обратная связь с запаздыванием. 20 в. в. Раушен!аа 306 МЕХАНИЗМЫ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ 1са. чи Ряс хо б) Вихреобразование в зоне горения. Другим явлением, которое тоже связано с гидромеханикой плохо обтекаемых тел и тоже может стать механизмом обратной связи, является вихреобразование за стабилизаторами пламени. Как известно, для непрерывного поджигания горючей смеси, движущейся по трубе, применяются разного рода поджигающие устройства, простейшим типом которых является плохо обтекаемое тело (напр»м»ер, конус, свернутый из листового металла и поставленный вершиной навстречу течению), зона обратных токов которого служит непрерывно денствующим источником под— — жигания. Схематически Б) такой стабилизатор показан на рис. 71.
Горючая смесь набегает на стабилизатор А, в аэродинамиСхема течения аа пло- ческой «теин» которого обтекаемым стабилизатором существует область АВ пламени. заторможенного течения; в ней периоднчески образуютсл вихри, сносимые дальше обтекающим стабилизатор потоком. В этой зоне обратных токов скорости невелики, и поэтому процесс сгорания происходит в благоприятных условиях.
Ближайшая к зоне обратных токов струя СС находится в течение сравнительно длительного времени в контакте с горячими газами зоны за стабилизатором, она успевает прогреться и начать гореть. Затем пламя перекидывается в следующую струю ИЭ и т. д. При нормальном горении процесс вихреобразования за стабилизатором подчиняется обычным закономерностлм и в общем его характер не зависит от того, происходят обтекание стабилизатора холодным воздухом или горячей смесью, которая сгорает за ним. При атом фронт пламени за стабилизатором имеет характер несколько подвижного, хаотически деформирующегося конуса, со средним положением фронта пламени вдоль линий АЕ и АЕ.
Совершенно другой характер принимает процесс горения за стабилизатором в тех случаях, когда возникает вибрационное сгорание. Акустические колебания по тем т 36! мкхлннзмы, сВязАнныв с ГидвомкхАн. яВлениями 307 ясе причинам, которые излагались неско бы навязывают свою частоту вихреобразо лизатором, причем размеры вихрей, срывающихся из области, лерррррртр жащей за стабилизато- рарррар ром, заметно увеличиваются. Этот процесс ~~~~~ар амера вступает во взаимодействие с горением в зоне бтррбарара,арр обратных токов и дает качественно новую картину всего явления. Вместо существования более или менее стабильного конусообразного фронта пламени за стабилизатором наблюдается четкий периодический процесс. Постепенное увеличение горящего за стабилизатором моля после достижения им некоторого критического размера прекращается и происходит отрыв этого моля и снос его потоком.
В этот момент горение за стабилизатором как бы затухает, однако вскоре сохранившийся за ним лько выше, как ванию за стаби- Рнс. 72. Внхреобрезозанне аа коническим стабилизатором нрн ннбракнонном горении (скоростнан киносъемка). начальный очаг пламени дает возможность возобновиться горению, горящий объем все более увеличивается, продолжая «держаться» за стабилизатор, с тем, чтобы по достижении критического размера вновь оторваться от стабилизатора и начать движение вместе с потоком. Совершенно ясно, что этот 20* !Гл. Р11 мвхзнпэлы овглткой связи Зоб периодический срыв горящих молей со стабилизатора является срывом вихрей, в которых (по мере нх роста) процесс горения охватывает все ббльшне н ббльшне массы горючей смесн, Описанное здесь явление было зафиксировано скоростной киносъемкой картины горения за одиночным коннческнм стабилизатором через прозрачное окно, вделанное в стенку цилиндрической трубы днаметром 200 мм, в которой изучалось внбрацнонное горение.
Последователь- ность наиболее характерных ~Р~ кадров, запечатленных ки- носъемкой, приведена на Ф рнс. 72. Следует заметить, что в этих опытах в горючее подмешнвалнсь малые количества специального вещества, сообщавшего пламени Рис. 7з. Осциллограмме эа- свойства яРкого свечении. циси колебаний давленая йр, Чтобы показать, что чаи сэетимости эоны сгорания Ф стога срыва горящих молей при иибрациоииом горении. (частота внхреобразовання) совпадает с частотой акустических колебаний, в тех же опытах производилась одновременная запись на шлейфовый осциллограф колебаннй двух величин — давления н светнмостн пламени в зоне горения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
