Процессы в камерах сгорания ГТД Лефевр А. (1014188), страница 16
Текст из файла (страница 16)
Из модели получается следующее выражение для скорости распространения пламени: во Глава 2 0,7 Рнс. 2.!б. Влиянгге ьг и среднего зау. теровского диаметра капель на скорость распространения пламени по стехиометрияесков смеси изооктана с воздухом [Зб). ИСПАРЕНИЕ При попадании капель топлива в зону горения температура и концентрация паров вблизи их поверхности малы, и в начальный период диффузия топлива от капли незначительна Из уравнения (2.46) следует, что в случае, когда время испарения велико по сравнению со временем химической реакции, скорость распространения пламени возрастает при увеличении плотности газа, летучести топлива, концентрации паров топлива и при уменьшении среднего размера капель.
Но если скорость распространения пламени лимитируется временем химической реакции, то эта скорость становится равной обычной скорости распространения пламени в однородной смеси. Правомерность предложенной модели проверялась с помощью измерений скорости распространения пламени, проведенных с тремя различными топливами в широком диапазоне изменения размера капель,концентрации паров топлива,коэф- 0Д о фициента избытка топлива и гзгз, ики давления. Погрешности из-за и зг а ,од ЗО подъемной силы и оседания Ь капель топлива под действием со 02 силы тяжести были сведены к 750 гг и минимуму тем, что измерения и скорости пламени выполнялись меорпя в вертикальной трубе при ее 0 огз од отз 70 свободном падении под дейй ствнем силы тяжести.
Точность получаемых данных дополнительно повышалась благодаря использованию различных акустических устройств, устанавливавшнхся в трубе для того, чтобы сформировать «плоское» пламя вместо пламени нормальной полуэллипсоидной формы. Результаты измерений удовлетворительно согласуются с рассчитанными величинами, как это видно из рис. 2.16, на котором сплошными линиями обозначены результаты вычислений по уравнению (2.46). Результаты измерений на рис.
2.!6 относятся к стехиометрической смеси изооктана с воздухом при атмосферном давлении. Эти и подобные нм экспериментальные данные, полученные с дизельным топливом и мазутом, показали, что скорость распространения пламени в газокапельной взвеси топлива и воздуха существенно возрастает при уменьшении размера капель. Установлено также, что присутствие паров топлива в капельной взвеси способствует распространению пламени, особенно в случаях крупных капель. 81 Элементы теории трения [27, 37]. По мере подвода тепла от горячего газа к капле температура жидкости повышается и диффузия топлива от капли увеличивается. Температура внутри капли минимальна в ее центре н возрастает по направлению к поверхности. С течением времени распределение температуры по объему капли становится более равномерным и приближается к температуре кипения.
В конце концов достигается стадия, когда все тепло, подводимое от газа к капле, расходуется на испарение топлива. На атой стадии температура жидкой капли равна температуре кипения топлива [37]. Время испарения (2.48) 8 з '. рл Время, необходимое для полного испарения одиночной капли или монодисперсной взвеси капель, определяется как отношение массы жидкого топлива к массовой скорости его испарения. Та- ким образом, согласно работе [36], ргс т(тт (2.47) влт)л (1+ В) (1+ 0,25леО~~) где Кеа = и'ь)/тт и В= с т (Те — Тр) В+с (Т вЂ” Т ) Для полидисперсной взвеси уравнение (2.47) имеет вид Сугср Вся (2.49) С!8л, !и (1+ В) (1+ 0,25С~~Л'йед ) где Сь Ст и Ст — параметры распределения капель по размерам. В камерах сгорания, где топливо распыливается пневмофорсун- ками и центробежными форсунками с завихрителями, можно принять С! = 0,31, Ст = 0,21 и Сз —— 0,46 [38].
Из уравнений (2.47) и (2.49) следует, что (с О", где п имеет наибольшее значение, равное 2, в покоящихся смесях (Кеа = О), и наименьшее, равное 1,5, в сильно турбулизованных смесях (Кеа » 1). Давление оказывает на 1, слабое влияние, так как проявляется только через величину Кел в знаменателе уравнений (2.47) и (2.49). Температура воздуха влияет на 1, через параметр массообмена В.
Влияние среднего размера ка- пель топлива, давления газа и его температуры на время испа- рения 8, показано на рис. 2.17. Представленные на графике ве- личины получены для керосина 3е!А при трех значениях тем- пературы н трех значениях среднего размера капель. Влияние интенсивности турбулентности иллюстрирует рис. 2.18, на кото- ром время испарения представлено в безразмерном виде, как отношение действительного времени испарения к времени Гпава 2 82 ЕО,8 0,6 18" ю' 0,4 18' ю4 ' уое го' ' 18 дпвленое,кпа Давление,кпа Рис. 2.17.
Влияние давления, температуры и среднего заутеровского диа. метра капель на время испарения для топлива зе1 А 143]. Рис. 2.18. Влияние пульсационноа скорости и давления на время испарения факела распыленного топлива зе1 А ~431 только уменьшает г'„но также усиливает зависимость 1, от давления. ЗАДЕРЖКА САМОВОСПЛАМЕНЕНИЯ Самопроизвольное воспламенение, или самовоспламенение, представляет собой процесс, при котором в горючей смеси инициируются химические реакции, ведущие к ускоренному выделению тепла в отсутствие какого-либо источника воспламенения типа пламени или искры. В камерах сгорания с предварительным испарением и смешением топлива с воздухом и с бедной смесью в первичной зоне (такие камеры интенсивно разрабатываются в настоящее время для перспективных двигателей) самовоспламенения смеси необходимо избегать любой ценой, так как оно приведет к повреждению конструкции камеры и к неприемлемо высокому уровню выброса загрязняющих атмосферу веществ [39, 40].
Задержка самовоспламенения может быть определена как промежуток времени между моментом впрыска топлива в газовую окислительную среду, имеющую высокую температуру, и моментом появления пламени. Ввиду практической важности ха- испарения в покоящейся смеси. На основании приведенных данных можно заключить, что увеличение пульсационной скорости не Элементы теорие горения вз рактерпстик самовоспламенения измерения задержки самовоспламенения проводились с самыми разнообразными топливами в широком диапазоне изменения внешних условий и при использовании различных испытательных установок, включающих бомбы постоянного объема, устройства быстрого сжатия, поршневые двигатели, ударные трубы и устройства проточного типа. Применяемые методы и полученные с их помощью результаты рассмотрены в обзорных работах (41, 42].
Уже давно признано, что задержка самовоспламенения является результатом как физических, так и химических процессов [42]. Для жидких топлив физическая задержка воспламенения определяется временем, необходимым для нагрева и испарения капель топлива и для смешения паров топлива с окру,жающим воздухом в горючих пропорциях. Химическая задержка воспламенения представляет собой отрезок времени между моментом образования горючей смеси и моментом появления пламени. Таким образом, на начальных стадиях самовоспламенения доминируют физические процессы, а на заключительных стадиях — химические.
В работе ]43] предложена модель процесса самопроизволь' ного воспламенения, которая учитывает как химические, так и физические процессы и благодаря этому может применяться и к гомогенным, и к гетерогенным (в том числе с наличием пара и капель топлива) смесям. Из модели следует, что для хорошо распыленных летучих топлив, особенно при низких давлении и температуре, время испарения топлива пренебрежимо мало по сравнению со временем химической реакции. Однако доля времени испарения в общей задержке самовоспламенения быстро возрастает с повышением давления и температуры, и может оказаться лимитирующим самовоспламенение в случае некоторых топлив, характеризующихся низкими скоростями испарения . вследствие их большой вязкости (что приводит к неудовлетворительному распыливанию) и малой летучести. Время задержки самовоспламенения определяется как сумма времен, необходимых для исйарения топлива и протекания химических реакций: С~~ргср40хтт (1 — ((1 — ))/(1 — Я))~~) 4,66 1О ехр (9!66(гм) С!8lг41л (1+ В) (1+ 62БС5~~Кейн) р,.)ф (2.50) где Я вЂ” исходная доля паров в общем количестве топлива, а ( — доля топлива (включающая й), которая должна быть превращена в пар, чтобы стало возможным протекание быстрой химической реакции.
Если величина ( неизвестна, ее следует выбирать таким образом, чтобы произведение ( и коэффициента избытка топлива гр было не менее 0,5. Такой выбор связан с обычно делаемым предположением, что при ф ( 0,5 химические 84 Глава л реакции, ведущие к возникновению пламени, практически не идут. Уравнение (2.50) применимо и к жидким топливам, и к газообразным. В последнем случае первый член в правой части обращается в нуль. Следует заметить, что Т„в уравнении (2.50) — это не начальная температура Т,, а температура смеси после испарения топлива и повышения темпера- а„г Зов турЫ ПарОВ дО тЕМПЕратурЫ и =о,гам/с смеси Т . Степень охлаждения воздуха, в котором испаряются капли топлива, очевидно, зави- Е 10 сит от коэффициента избытка т,,к топлива и от доли испаренного 000 топлива.
Она не очень велика, но, поскольку скорости химических реакций зависят от темпеме 10-г ратуры экспоненциально, понижением температуры воздуха вследствие теплоотдачи топ- 000 лину пренебрегать нельзя. Ме- 7000 тод вычисления Т описывает- 10' юг 10' ся в литературе (см., наприДаеление,кое мер, 142, 431). Вычисленные по уравнению Рис.
2.79. Зависимость аадеожнн вос-,2 60т величины Г сви етельпламенения от давления и температуРм Нз). ствуют о том, что влияние ско- рости испарения пренебрежимо мало при самой низкой из рассмотренных температур (600 К), но становится все более значительным с повышением температуры. Это переменное влияние величины Г, отражается и на зависимости Г; от давления, которая также меняется с температурой. Если зависимость от давления выразить соотношением ггсо р-"', то максимально возможная величина в оказывается равной 1,0. Это значение и соответствует газовым смесям и факелу распыленного жидкого топлива в условиях, когда давление и/или температура малы и когда инициирование горения лимитируется исключительно скоростью химических реакций.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
