Теория и расчёт воздушно-реактивных двигателей под ред. Шляхтенко С.М. (1014193), страница 27
Текст из файла (страница 27)
Поэтому при исследованиях и расчетах рассматривают турбулентый фронт пламени как осредненную поверхность, на которой начинается горение свежей смеси (фронт воспламенения), и зону горения — область, в пределах которой заканчивается горение. Протяженность зоны горения /, измеряется по линиям тока, а ее ширина 6, — по нормали к фронту. Скорость распространения пламени в турбулентном потоке и, также измеряется по нормали к фронту относительно свежей смеси.
Скорость распространения турбулентного фронта пламени и его ширина существенно превосходят (более чем на порядок) соответствующие величины для ламинарного фронта. Величины и, и 6, не являются физико-химическими константами, как значения и„ и 6„, а сильно зависят от турбулентных характеристик потока. В настоящее время нет достаточно точного метода расчета процесса турбулентного горения. Это связано, в основном, со .сложностью и недостаточной изученностью самого турбулентного движения.
Теоретические исследования турбулентного горения базируются, главным образом, на рассмотрении приближенных моделей, в которых учитываются только наиболее важные элементы явления. Наибольшее распространение в настоящее время получили модели поверхностного горения. Предполагается, что в турбу лентном потоке первоначально плоский фронт ламинарного пламени сильно деформируется турбулентными пульсациями, масштаб которых больше ширины ламинарного фронта пламени /а ) 6„. Суммарная поверхность фронта увеличивается, что приводит к пропорциональному увеличению объема смеси, реагирующей на единице площади осредненного фронта пламени, и, следовательно, к увеличению его скорости распространения.
Впервые модель поверхностного горения была предложена К. И. Щелкиным, Им было установлено, что кроме и„на скорость распространения турбулентного фронта пламени сильное влияние оказывает пульсационная скорость с', а на его ширину масштаб турбулентности и, — и„)/ 1 -1- (с'/и„)', 67 с /а/и Этот вывод в качественном отношении находится в согласии с экспериментальными данными, но приведенные соотношения не позволяют их обобщать количественно.
Поэтому модель поверхностного горения К. И. Щелкнна в дальнейшем подвергалась усовершенствованию в трудах многих ученых. Особенно важные результаты были получены на этом пути А. В. Талантовым. Рассмотрим некоторые экспериментальные данные по турбулентному горению. )32 /.„и и и„///р ис,м/р //7 /7Х га Е, ///~Па ст/ Максимальные величины и, наблюдаются при значениях коэффициента избытка воздуха а, близких к 0,8 (рис.
5.6, а). С уменьшением давления значение скорости распространения пламени и, уменьшается, а значение /., увеличивается (рис. 5.6, в). Это объясняется, главным образом, тем, что с уменьшением давления происходит снижение значений пульсационной скорости с' и рост масштаба турбулентности /О потока из-за уменьшения числа Рейнольдса. Повышение температуры смеси приводит к существенной интенсификации процесса горения, что связано, в основном, с возрастанием значений нормальной скорости сгорания (см. рис. 5.6, 6). Объемное горение однородной смеси.
При весьма высокой интенсивности процессов перемешивания (высоком уровне турбулентности) свежая смесь и продукты сгорания будут достаточно равномерно распределены в пределах некоторого объема. Тогда приближенно можно считать, что в каждой точке объема будет протекать реакция горения, т. е. будет наблюдаться объемное горение смеси. Идеализированное устройство, в котором за счет бесконечно высокой интенсивности процессов перемешивания реализуется объемное горение, называют гомо- генным реактором с полным смешением. Близкие условия наблюдаются в срывных зонах, возникающих за плохообтекаемыми телами, в сильно закрученных струях и т. д.
Исследования показывают, что устойчивое горение в реакторе при заданных значениях коэффициента избытка воздуха а, начальной температуры Тв и давления р возможны при расходах воздуха б„не превышающих некоторых критических значений. При приближении значений 6, к критическим происходит прекращение горения— срыв горения. Физически это объясняется тем, что при больших расходах (и, следовательно, при малых средних временах пребывания газа в реакторе) не успевают в достаточной степени завер- 133 4 ,0 а а /)5 у //7 р а ' лв~ ыю 7//// г, /7 л) ~г) рнс. 6.6. Изменение значений и (О) я ь (Х) в зависимости от величины а/(о), начальной температуры са (б) н давления ра (в): а) с=75 м/с, р 10' Па; 7,=500 К; б)с=75м/с; р=10'Па; а=1,1 в~ с=50м/с; Т =-ОООК;а=-1,1 Рнс.
5.7. Характернстнкн срыва горения в гомогенном реакторе прн гореннн смеси углеводородного топлива н воздуха шиться химические реакции горения н выделяющегося количества тепла не хватает для поддержания достаточно высокой температуры горения. ав Гр- ™ Происходит снижение темпер'г ~~ гниат ратуры, что влечет за собой уменьшение скорости химической реакции. Этот лавинообразный процесс приводит к прекращению горения. Определяющую роль играет не абсолютный расход воздуха, а комплекс 6,1(р'Ур) †параме форсирования реактора (У вЂ” объем реактора, т == 1,8 ... 2). Зависимость значений коэффициента избытка воздуха, при которых прекращается горение, от параметра форсирования 6„/(ртУ ) называется срывной характеристикой реактора, ограничивающей область устойчивого горения в нем (рис.
5.7). Как видно, устойчивое горение смеси в гомогенном реакторе возможно при сравнительно небольшом диапазоне изменения а — 0,5 ... 2 при средних значениях параметра форсирования. С увеличением значений Т„область устойчивого горения расширяется. Д и ф ф у з и о н н о е г о р е н и е. Как уже говорилось выше, при диффузионном горении топливо и воздух подаются к зоне горения раздельно и горение происходит в процессе их взаимного перемешивания. Диффузионное горение может происходить как при ламинарном, так и при турбулентном режимах течения. Закономерности горения при этом изменяются в связи с изменением закономерностей процесса смешения.
При турбулентном режиме микро- структура потока является весьма сложной (так же как и при турбулентном горении однородной смеси), процесс горения происходит на границе между турбулентными молями топлива и воздуха. В целом диффузионное горение протекает более медленно, чем кинетическое. Чрезвычайно неприятным свойством диффузионных пламен является повышенное образование твердого углерода (сажа, дым), что связано с разложением топлива в переобогащенных молях смеси при его нагревании. Примерами диффузионного горения является диффузионный факел — горение струи газообразного топлива, а также горение капель жидкого топлива в воздухе.
В камерах сгорания возможны случаи, когда происходит горение двухфазной смеси, т. е. смеси воздуха, паров и капель топлива (гетерогенное горение). Исследования показывают, что в такой смеси пламя распространяется более медленно, чем в одно- 134 родной смеси, однако концентрационные пределы распространения пламени в ней шире. При уменьшении размера капель топлива закономерности горения двухфазной и однородной смесей становятся близкими, и при с(» ж 50 ... 60 мкм становятся одинаковыми. Стабилизация процесса горения При движении горючей смеси со скоростью, большей чем скорость распространения фронта пламени, ее сжигание возможно только при наличии в потоке стационарного источника поджигания, обеспечивающего непрерывное воспламенение горючей смеси — стабилизацию процесса горения.
Наибольшее распространение в камерах сгорания получил такой способ стабилизации, при котором поджигание осуществляется при контакте холодной свежей смеси с горячими продуктами сгорания. Источником последних, как правило, являются циркуляционные или срывные зоны, образующиеся за плохо- обтекаемыми телами, в сильно закрученных струях, в нишах и т. д На рис. 5.8 представлена схема течения в циркуляционной зоне (ЦЗ) за плохообтекаемым телом (стабилизатором). В центре зоны наблюдается возвратное течение — зона обратного тока (ЗОТ), Циркуляционная зона выделяется с использованием полей скоростей и температур как зона, в пределах которой как бы циркулирует одна и та же масса газа.
В действительности благодаря высокому уровню турбулентности через ограничивающую ЦЗ поверхность происходит интенсивный перенос массы газа, причем газ втекает в циркуляционную зону главным образом вблизи ее конца, а вытекает — у стабилизатора. При установке стабилизатора в канале длина циркуляционной зоны составляет 2Л (Л вЂ” ширина стабилизатора). При горении ЦЗ заполнена продуктами почти полного сгорания (г1г =.
0,8 ... 0,95), имеющими высокую температуру (Т =- 1600 ... 1800 К). Вследствие высокой интенсивности процессов перемешивания температура и состав газа в пределах ЦЗ распределены достаточно равномерно и в значительной части объема циркуляционной зоны протекает реакция горения. Пламя «удерживается» стабилизатором в заданных условиях (р, Т,, а) при скоростях течения смеси, Рнс.
5.3. Структура тецення за У- образным стабилизатором: с — осевая составляюсцая скороств; а С вЂ” ковцеятрацвя товлвва Ррзнлт ллаатгни 135 а меньших некоторых максимальных агент значений сж„. Величина с ,„ зависит от состава раичнд .- смеси, рода топлива, температуры и Рсуднгл,а „давления, а также от формы и раз- меров стабилизатора и параметров алин турбулентности набегающего потока. с/ЛР Создано несколько физических моделей стаблизации процесса горения в циркуляционных зонах. В настоящее время наибольшее распространение получили модели, в которых предполагается, что в циркуляционной зоне (или в ее части) идет объемно-массовая реакция подобно тому, как зто имеет место в гомогенном реакторе.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
