Иная ситуация складывается при использовании камерных регистров типа У и Т. Эти регистры имеют очень надежную стабилизацию горения и активное смешение на периферии факелов, но у них ухудшено смесеобразование на оси корня факела. Можно утверждать, что этот порок регистров У и Т можно устранить при формировании потока циклоном (Ц) – диафрагмированной камерой, подобной, в том числе, регистрам Т или У. Этот тип регистра мы рекомендуем выделять принципиально в самостоятельный тип «Ц». На основе собственного опыта можем утверждать, что эти регистры Ц формируют потоки с постоянной структурой даже при заметном изменении крутки всего потока в циклоне. Во вторых, в регистрах Ц надежно устраним другой недостаток регистров Т и У – несимметричность потока на выходе из устройства. Использование горелок с камерным регистром типа Ц пока не нашло широкого применения, несмотря на ряд достоинств. К регистрам Ц, по нашему мнению, можно отнести и удачные циклонные предтопки разработки ДВПИ и вышедших из него специалистов, а также ряд газомазутных горелок для небольших котлов разработки американской корпорации John Zink.
Все эти проблемы в значительной мере или даже полностью можно решить в рамках приемлемых для практики аэродинамических сопротивлений и высокой эксплуатационной надежности применением нового оригинального способа управления структурой и круткой закрученного потока. Есть модель вихревой горелки с этим новым способом управления. Эта модель, исследованная нами ранее наряду с некоторыми другими, состояла из нерегулируемой улитки с выходным каналом, длина которого соизмерима с диаметром. Стенка канала по всей длине была перфорирована отверстиями малого диаметра. Через них в закрученный поток радиально вдувался воздух в виде системы равномерно рассредоточенных струй со скоростями, соизмеримыми со скоростями в самом вихре. Такой струйный радиальный вдув (СРВ) разной интенсивности через стенку оказался чрезвычайно эффективным средством управления потоком, вызывал сильную перестройку его структуры и на порядок изменял интенсивность крутки интегрального вихря на выходе из модели.
В этой модели простейшей вихревой, формально нерегулируемой горелки, установлен нерегулируемый регистр постоянной геометрии. Все остальные узлы модели также были неизменны и неподвижны. Тем не менее, на этой модели нами были получены течения, характерные для всех основных типов регистров, применяемых в вихревых аппаратах разного назначения, например, на вихревых горелках разных типов. Интенсивность управляющего СРВ была положена нами как относительный радиальный импульс вдува в отверстиях перфорации стенки. Это среднерасходный импульс всех струй СРВ в отверстиях перфорации стенки выходного канала модели горелки, отнесенный к осевому интегральному импульсу (также среднерасходному) всего потока при выходе из модели:
k = Kвд/Kвых /1/
Величина k – то есть изменение интенсивности вдува, в данной работе было необычно значительным, - до значений на два порядка выше, чем обычно принято при организации охлаждающих и регулирующих вдувов через проницаемые (пористые) стенки аппаратов из аэрокосмической отрасли (в отличие от данной работы - вдувов в незакрученный потоки). Нами установлено соотношение импульса Kвд вдува и осевого импульса Kвых вихря, при котором прекращалось взаимодействие закрученного потока (или вихря с сильным осевым стоком) со стенкой выходного цилиндрического канала модели горелки. В этих режимах до нуля уменьшалась вращательная скорость (Wφ=0) у стенки перфорированного цилиндра в модели. Во всех этих режимах продувок параметр СРВ всегда был равен примерно k ≈ 0,7.
Не касаясь всех, полезных для практики эффектов, полученных нами на модели, выделим лишь самый важный факт. С помощью одного лишь изменения интенсивности СРВ (параметр k) через перфорированную стенку цилиндрического канала модели получено изменение крутки потока на порядок при выходе из этого устройства неизменной геометрии. Причем речь идет только о действительной крутке потока, определенной в соответствии с классическими подходами (Дубов и др.) - прямым интегрированием экспериментальных полей скоростей, плотности и статических давлений в точках зондирования потока в модели. Другим и, по нашему мнению, самым важным результатом является четко установленная нами необычно сильная деформация всей структуры закрученного потока перед его выходом из модели. При этом в любых деформированных потоках полностью сохранялись все его структурные особенности. Эти особенности проще всего наглядно представлять радиусами характерных зон закрученного потока. Эти зоны или их границы обычно, хотя и в разном наборе, определяют через максимумы и нулевые значения некоторых составляющих вектора скорости и нулевые значения полных и статических давлений. Для теоретических моделей или инженерных расчетов используют также радиусы локализации в вихре областей потока с разным предполагаемым или явным законом вращения или других особенностей.
Изменение этих характерных радиусов или характерных зон потока, изучено нами в рамках серии режимов изменения интенсивности управляющего СРВ в диапазоне изменения параметра вдува 0 < k < (1,1-1,2). Еще раз подчеркнем, что при всех деформациях потока управляющим СРВ и при любых изменениях интенсивности крутки потока, при выходе из модели в закрученном потоке всегда строго сохраняется последовательность радиусов всех перечисленных выше характерных зон:
0 <Rz0 <Rr <Rh0 <Rφ <Rr0 <R <Rр0 <Rm <Rz <Rk <Rц /2/
Анализ известных источников показывает, что получить такой диапазон деформации закрученного потока с сохранением его структуры невозможно без сильного увеличения его аэродинамического сопротивления. Такой эффект невозможно получить ни в одном ином известном вихревом регулируемом устройстве, кроме выше сказанной модели. Управляющий СРВ заменит любой регулируемый регистр на любом устройстве, прежде всего, на горелках.
Продувки модели горелки с управляющим СРВ и более глубокий анализ результатов также убедительно показали, что с помощью вдува можно регулировать процессы смешения в потоке и формируемом факеле. Расчетами была установлена необычно сильное влияние СРВ на распределение турбулентных характеристик в объеме потока. Прежде всего, нами было уточнено количество и локализация в потоке характерных кольцевых зон повышенных и пониженных значений коэффициента турбулентной вязкости и напряжений турбулентного трения, участвующих в переносе момента вращения по радиусу потока. Эти характеристики, видимо, являются определяющими в процессе формирования факела и процессов выгорания топлива в разных областях его объема. Их значения и распределение в потоке являются главным способом создания в индивидуальном горящем факеле горелки схем стадийного сжигания с контролем в них нужной атмосферы и температуры. Нами установлено, что СРВ является необычно эффективным средством управления положения в потоке подобных зон с более или менее активным турбулентным тепломассообменом, а также значением величин, характеризующих интенсивность этих процессов.
Для анализа работы существующих и при разработке новых горелок – ГЭЧС считаем важным знать положение трех характерных зон закрученного потока. Первая зона, - это зона на крайней периферии потока радиусом R=Rk (радиус максимумов импульса потока в осевом направлении). Этот импульс, в том числе, определяет в значительной мере дальнобойность факела. Высокий уровень значений ряда турбулентных характеристик в этой узкой зоне при выключенном СРВ соответствует известным представлениям и не является новостью. При этом зона R=Rk почти совпадает с зоной R=Rz - максимумов осевых скоростей (Wz=Wzmax) у стенки канала. Новым является то, что включение и усиление СРВ отодвигает эту зону от стенки канала и при этом, одновременно происходит струйная турбулизация вдувом этой зоны, но радиусы Rk и Rz уже немного расходятся (Rk › Rz). На практике это не существенно, но позволит управлять интенсивностью процессов на периферии факела вблизи горелки и размерами периферийной зонами планируемых стадий горения топлива при многостадийном его сжигании непосредственно в объеме горящего факела горелки.
Для разделения горящего факела на области разных местных избытков воздуха или для разделения стадий сжигания топлива в объеме факела целесообразно использовать вторую зону - область очень резкого затухания процессов турбулентного переноса в закрученном потоке, которое происходит даже при резкой интенсификации управляющим СРВ переноса в центральных и периферийных областях потока. Нами, видимо, впервые было установлено, что эта кольцевая область минимальных значений турбулентной вязкости и напряжений турбулентного трения совпадает с локализацией в закрученном потоке нулевых значений радиальной скорости (Wr = 0). Здесь скорость Wr изменяет направление на противоположное, то есть, - это граница расширяющейся и сужающейся областей любого закрученного потока или факела. Радиус (Rr0) этой зоны всегда меньше радиуса максимальных осевых скоростей, но больше радиусов максимумов вращательной скорости, а также радиусов нулевых полных давлений (Rh0). Нами установлено, что управляющий СРВ сильно влияет на изменение радиуса обсуждаемой области (Wr = 0), при нашем желании сильно уменьшая его.
Третья, важная для инженерной практики зона, - это зона центральной турбулизации потока, появление которой и ее локализацию разные авторы чаще связывают с приосевым обратным током сильно закрученного потока (вихря). Нами уточнено положение этой зоны, которое соответствует зоне радиусов локализации максимальных радиальных скоростей, то есть зоны наиболее интенсивного расширения центральной области потока, где происходит наиболее активное взаимодействие среды обратного тока с основным закрученным потоком, выходящим из горелки. Струйный вдув резко активизирует эти процессы, уменьшая радиус этой хоны, приближая ее почти к самой оси вращения потока. При этом этот радиус всегда на 10-15% больше радиуса внешней границы приосевого обратного тока. Эти сведения на наш взгляд особо важны для оптимизации схем центрального ввода топлива и его сжигания без выбросов канцерогенов на отдаленных участках факела при местных избытках воздуха на оси корня факела значительно ниже стехиометрических.