Камеры сгорания газотурбинных двигателей Пчёлкин Ю.М. (1014167), страница 15
Текст из файла (страница 15)
д. Фотографии ламинарного (рис. 20, а) и турбулентного (рнс. 20, б) фронтов пламени получены на одинаковых горелках при одинаковых сосгавах смеси и скоростях движения потока. Границы турбулентного фронта нечеткие вследствие хаотических пульсаций поверхности пламени, наложения их при большой выдержке фотографирования. Ламинарный гладкий конус пламени с ростом скорости потока увеличивает свою высоту. При тех же скоростях потока турбулентного распространения фронта высота пламени уменьшается, так как и,>и„. Результаты исследования сопоставимости опытов на простой модели открытого пламени (газовая горелка) и в канале (камере сгорания) показывают принципиальную однозначность и близость получаемых данных. На рис.
2! приведены зависимости и, от а при горении бензиновоздушной смеси в открытом потоке (точки) и ограниченном стенками иг, Н/0 камеры сгорания (сплошиые линии). В результате установлена достаточная стационарность скорости турбулентного распространения пламени прн однородной турбулентности среды и нестационарность (увеличение) ширины зоны турбулентного горения по ходу потока. Следует отметить, что не все исследования достаточно хорошо согласуются между собой из-за сложности их проведения, различия методик измерений и точности измерительных приборов, Величину и, определяют на основе принципа Михельсона, подсчитывая объемный расход смеси Г и находя осредненную площадь 5„л поверхности пламени.
Тогда как для и„получаем и, = Г5п„. Это — средняя турбулентная скорость распространения фронта пламени. Локальную скорость и, найдем, рассматривая элементарную площадку 4(5 фронта пламени 5„ (рис. 22). При 4(5 †» 0 скорость и, = п4 сов <р, Точность определения формы (угла наклона) и положения факела очень важна, но сделать зто трудно вследствие наличия зоны догорания, пульсаций потока и др. Значение и, существенно зависит от параметров турбулентности (перемешивания) потока смеси, в каждой точке которого они определяются амплитудой и частотой пульсаций скорости, температуры, давления, концентраций (в том числе продуктов реакции) и др. Количественное описание пульсаций связано с представлением истинного мгновенного значения, например скорости п4,„как суммы средней скорости за значительный интервал времени 4п,р — — ш и пульсационной скорости п4'. Пульсационная скорость определяется как средняя квадратическая; ц4' = т' (Ы)-'.
Отношение ы4'14п =- а называется степенью, или интенсивностью, турбулентности (чпсло Кармана). Средний иг,ет с г ф4Г Г 4,2 Г Ч ск Рис, 20. Виды поверхностей фронтов пламени Рис, 21. Зависимости скорости и, от а при разной скорости в потока; 4 — 44 = З4 м1с; 2 — м 64 и!с; 3 — м = 44 идп 4 — в =- ЗО м/с 59 Рис. 22. Схема определения турбулентной ско- 5 рости и, распространения фронта пламени эффективный размер элементарных объемов перемешивающейся смеси определяет эйлеров масштаб турбулентности 1,. Однако целесообразнее использовать лагранжев масштаб турбулентности 1, принимая его за путь, проходимый объемом в пульсационном движении относительно всей массы потока, с сохранением его особенностей 1 = ш'т„ -(--'- где т,— время смешивания (существования данной пульсации) или характерное время турбуленности данного потока. Экспериментально-расчетные исследования установили прямую связь обоих масштабов турбулентности: 1, = 21.
Аналогично коэффициенту молекулярной диффузии перенос вещества в турбулентном потоке определяют коэффициентом турбулентного обмена (коэффициент турбулентной температуропроводности) а, = 1ш'. Исходные положения теории турбулентного распространения поверхности фронта пламени различают два случая турбулентного распространения пламени в зависимости от характеристик потока. 1. Масштаб турбулентности мал (1 ( 6), он меньше ширины нормального фронта пламени 6 (рис. 23, а).
Турбулентный фронт пламени искривлен незначительно (рис. 23, б). Приняв и„ =- т' а/т„ и для турбулентного режима считая время химической реакции неизменным, получаем отношение скоростей и,/и„ = у а,/а или и,/и„= у' (а + а,)/а = т ~! — а,/а. Величина а, )) а, причем а, = /и/, следовательно, и, = и„у'1 + Йо'/а . При мелкомасштабной (слабой) турбулентности и, ж у'ш'=. у ш=, у'Ке.
2. Масштаб турбулентности велик (1 ) 6). Фронт пламени очень искривлен и зазубрен (рис. 23, в), а в некоторых случаях (1 )) 6 и и/ )) и„) может даже разбиваться на отдельные зоны или выбрасывать горящие объемы 1 по движению потока. Рассматривая выступ фронта пламени как отдельный конус (рис. 23, в), считаем ит/и„= 5о/5, (5б — площадь боковой поверхности конуса; 5, — площадь основания конуса). Если 1 = 2т, то время, за которое фронт пламени по радиусу пройдет от периферии к центру основания конуса со скоростью и„, т = г/и„ = 1/(2и„). При наличии пульсационной скорости и/ фронт пламени опишет поверхность 5п и за время т продвинется вперед на расстояние й =- 60 =- 1иП(йи„). Образующая конуса Н = 0,51т' 1+ (и'/и„)х.
Тогда 5б/5 = пгН1(лгх) = рг1 + (шуип)е. Следовательно, и,— и„1'1+(ш'1и„)е Таким образом, прн крупномасштабной (сильной) турбулентности ит = ю' ж в = Ке. Экспериментальными исследованиями в общем случае получено выражение и, = (в')'" или и, = (ш)'" (гп ( 1). 1(ак уже отмечалось, величина и, зависит от параметров смеси ии, Т, р и а, однако при большой степени турбулентности, определяющей величиной является ит' (ю). Анализ выполненных исследований позволяет получить зависимость и,1и„= 1 + 5,3 (ю'(ии)'", где т = 0,6 —:0,7; и если ти' >) и„, то можно принимать и, = 5,3 (ш')" (и„)", где т = 0,6 —;0,7 и и = = 0,3 —:0,4. Таким образом, можно считать, что при малой интенсивности турбулентности, когда ш' (( и„, величина и, ы и„. С ростом пульсационной скорости ти' величина и, начинает постепенно увеличиваться, а затем растет почти прямо пропорционально ш'. При условии ш' >) и„обычно принимается, что отдельные объемы (моли) горючей смеси при сгорании дробятся на части турбулентными пульсациями и, следовательно, время их сгорания равно времени смешения т„= т, = т, ж 1!в'.
При этом ширина зоны горения 6, ~ т,и, = Рис. 23, Схемы поверхностей фронта пламени в ламинарном и турбулентном потоках 61 Рассмотренные положения можно уточнить, если обратить внимание на следующее. При горении однородной гомогенной смеси в условиях турбулентности, пульсации как в направлении распространения пламени, так и в обратную сторону искривляют плоский нормальный фронт пламени. Однако в каждое мгновение он, разделяя невоспламеиенную смесь и продукты сгорания, движется по отношению к невоспламененной смеси с нормальной скоростью и„. Поэтому вопреки действиям пульсаций сглаживается поверхность пламени при уменьшении его искривления. При сильной турбулентности (в' » и„) смесь элементарного объема Л'г' может отрываться от фронта пламени и гореть в объеме смеси изолированно, выгорая с поверхности в тонком слое, аналогичном по толщине ламинарному фронту пламени, даже если поверхность самого объема ЛГ будет искривлена пульсацией высшего порядка.
Влияние кривизны фронта на и„ в первом приближении можно не учитывать. Можно не рассматривать также и то, что за ламинарным фронтом пламени равновесное состояние устанавливается не сразу (исключается догорание). Основой механизма турбулентного распространения поверхности фронта пламени становится вынос турбулентными пульсациями некоторых участков фронта пламени вперед, в сторону невоспламененной смеси. По истечении характеристического времени существования пульсаций 1времени смешения в условиях турбулентности) направление пульсации изменяется. Однако благодаря распространению с нормальной скоростью пламя, продолжая двигаться вперед, способно перенестись на какие-то другие ближайшие пульсации и с ними продолжать движение и т. д. Такой эстафетный механизм, определяемый движением быстрейших элементарных объемов только вперед, находится в полном соответствии с представлениями о росте поверхности турбулентного пламени.
Увеличение поверхности происходит в масштабах, обеспечивающих сжигание всей массы свежей смеси, прошедшей через фронт воспламенения. Величина и, будет определяться совместным действием скорости пульсаций, направленной в сторону невоспламененной смеси, и нормальной скоростью, при которой происходит непрерывное перемещение сплошного фронта пламени, а следовательно, передача воспламенения от одной пульсирующей массы к другой. Такая передача пламени определяется отношением времени существования пульсации 1время смешения т,) и пересечения пламенем 1время горения) самого элементарного объема т„. Так как т, =- 1дп', а т„.=- == 0,51,1и„= 1/и„; т„!т„.
= ш'1и„. Используя это уравнение в качестве критерия оценки турбулентности, можно выделить два случая. 1. т„1т, = ш'!и, ( 1, т. е. и„> ш', мелкомасштабная турбулентность. Здесь время существования пульсации больше времени, нужного пламени для пересечения объема ЛГ с нормальной скоростью, т. е. пульсирующий и движущийся вперед элементарный объем сгорит и передаст дальше горение раньше, чем он изменит свое направление движения.
2. т„/т, = ю'(и„> 1, т. е, в' > и„, крупномасштабная турбулентность, Время существования пульсации будет меньше времени, 62 нужного для прохождения пламени со скоростью и„по пульсиру'- ющей смеси ЛГ. Таким образом, горящая смесь совершит несколько (ю'~и„) пульсацнонных движений прежде, чем пламя будет передано соседней пульсации. Скорость турбулентного распространения фронта пламени будет определяться перемещением его участков за характеристическое время горения.
При мелкомасштабной турбулентности, когда т,!т, ( 1, формально можно рассматривать поток смеси с любым стационарным профилем пульсационной скорости, потому что направленность движения пульсаций и переход пламени от одного объема к другому не изменяет и в этом смысле не определяет процесс перемещения фронта пламени по объему смеси. Рассмотрим, например, плоский поток единичной толщины со средней скоростью ш, который состоит из чередующихся струек !, !1, ...
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
