Смекни!
smekni.com

Вихревые горелки (стр. 5 из 7)


Конечно, воздействие закрутки на поток наряду с парамет­ром S определяется еще целым рядом факторов, например:

а) геометрией сопла (при наличии центрального тела размер рециркуляционной зоны увеличивается, то же происходит при добавлении диффузорной надставки на выходе);

б) ее разме­рами — когда истечение происходит в камеру (приосевая ре-диркуляционная зона в стесненном потоке больше, чем в сво­бодной струе при одинаковых условиях истечения);

в) формой профиля скорости на выходе (рециркуляционная зона в пото­ке, созданном лопаточным завихрителем, длиннее по сравннению со случаем истечения из закручивающего устройства с аксиально-тангенциальным подводом).

Размер и форма рециркуляционной зоны и соответствующей области с повышенным уровнем турбулентности оказывают решающее влияние на устойчивость факела, интенсивность процесса горения и другие характеристики пламени.

Рис. 4.5. Распределение продольной составляющей скорости вдоль оси при различных значениях параметра закрутки

Рис. 4.6. Изменение максимальных значений параметров вдоль струи:

Изменение продольной составляющей 'скорости вдоль оси струи круглого сечения при различных значениях параметра закрутки показано на рис. 4.5 ; струя распространялась из закручивающего устройства с тангенциальным подводом. При малых интенсивностях закрутки (5<0,1) вблизи выхода на­блюдается потенциальное ядро (т. е. область неизменной ско­рости). С увеличением параметра закрутки длина ядра умень­шается, и при S === 0,5 максимальное значение и смещается от оси. При 5 > 0,6 на оси появляется обратный поток. Специаль­ный эксперимент, в котором параметр закрутки по возможно­сти непрерывно изменялся в диапазоне 0,3 ... 0,64, показал,. что изменение распределения происходит монотонно, без скач­ков, не было обнаружено существенной разницы и при повто­рении опыта с изменением 5 в том же диапазоне, но в обрат­ной последовательности, В соответствии с ростом темпа рас­ширения струи возрастает скорость эжекции, вследствии чего ускоряется вырождение неравномерности скорости и концент­рации жидкости, истекающей из сопла. Это положение иллю­стрируют экспериментальные данные, представленные на рис. 4.6, где для различных значений параметра закрутки при­ведены распределения вдоль струи максимальных значений продольной (рис. 4.6, а), окружной (рис. 4.6,6) и радиальной (рис. 4.6, в) скоростей. При высокой интенсивности закрутки, когда начинает образовываться рециркуляционная зона и по­являются области малых или отрицательных значений продоль­ной составляющей скорости, ее максимум смещен от оси струи. Отметим, что вниз по потоку максимальные значения продоль­ной и радиальной составляющих скорости, а также минималь­ное значение давления изменяются обратно пропорционально' приведенному расстоянию от среза сопла в степенях один, два и четыре соответственно.

6. Структура рециркуляционной зоны

Рис. 4.7. Изолинии функции тока Штриховая линия соответствует нуле­вым значениям продольной скорости

Рис. 4.9а Изолинии приведенной кинетической энергии турбулентности. Штриховой линией обозначена граница зоны обратных токов.

Рис. 4.96. Изолинии безразмерной среднеквадратичной величины пульсации окружной скорости {w' ) /uq.

В рециркуляционной зоне интенсивность турбулентности до­стигает очень высокого уровня. На границе обратного течения, где средняя скорость равна 0, величина локальной интенсивности турбулентности стремится к бесконечности. Измерения всех шести компонент тензора турбулентных напряжений показывают, что распределение кинетической энергии турбулентности сильно неоднородно, а напряжение и соответственно тензор коэффициентов турбулентной вязкости сильно неизотропны .На рис. 4.9а показано, что приведенная кинетическая энергия турбулентности достигает значения 300% за кромкой сопла и быстро затухает на расстоянии, равном одному диаметру. При отдельном рассмотрении пульсации продольной и окружной скоростей обнаруживается сильная анизотропия турбулентности. Максимум пульсации окружной скорости (рис.4.9б) наблюдается прямо под кромкой сопла при 2r/d=0,8, причем пульсации быстро затухают по направлению к оси симметрии. Интенсивность пульсации продольной скорости имеет два максимума, один сразу за кромкой при 2r/d=0,9 и другой внутри вихревой горелки вблизи оси симметрии. Высокие уровни турбулентности обусловлены трехмерным нестационарным возмущением закрученного течения – так называемым прецессирующим вихревым ядром.

Распределения характеристик турбулентности в слабозакру­ченных струях (S <$ 0,6), аналогичные распределениям в стру­ях с сильной закруткой, показанным на рис. 4.9, получены в работе. Там же определено сечение, расположенное на рас­стоянии примерно в 3 ... 4 диаметра от среза сопла, начиная с которого максимальные значения интенсивностей турбулент­ных пульсации в закрученной струе становятся меньше, чем в незакрученной. Более интенсивное расширение струи приводит и к более интенсивной диссипации.

Форма и размер рециркуляционной зоны и соответствующей области с повышенным уровнем турбулентности оказывают ре­шающее влияние на устойчивость факела, интенсивность про­цесса горения и другие характеристики пламени. К настояще­му времени получено достаточно много данных, позволяющих провести сопоставление характеристик различных закручиваю­щих устройств и определить влияние на изотермический поток различных модификаций их геометрии, таких, как установка на выходе из закручивающего устройства конических диффузо­ров, трубок или форсунок для впрыска топлива, топочных ка­мер. Наряду с картиной линий тока, представленной па рис. 4.7, на рис. 4.10 и 4.11а и 4.116 приведены три аналогичные картины. Можно видеть, что область рециркуляционного течения всегда существует вблизи выхода из сопла.

Закручивающие устройства с цилиндрической выходной частью: 1 — кольцевой лопа­точный завихритель, ф=45° [10]; 2-ф==60° ; 3-ф=70° ; 4-ф=75° ;

5 — закручи­вающее устройство с аксиально-тангенциальным подводом ;

6 — закручивающее устройство с тангенциальным подводом .

Закручивающие устройства с диффузором на выходе: 7 — полуугол раскрытия диффу­зора .

Тип закручивающего устройства (за исключением лопаточного завихрителя без втулки) и наличие соосных трубок для подвода топлива или форсунок, по-видимому, не влияют на характер связи. Для устройств с цилиндрической выходной частью представленные данные мож­но описать зависимостью

S=0.508+5.66Mr-6.24Мr2+2.28Мr3

где Mr —- поток массы газа, вовлеченного в рециркуляционное движение.

7. Вихревые горелки, прецессирующее вихревое ядро в потоке с горением

1. Факел типа а—предварительно перемешанные топливо и воздух; 1,4 < а < 6,0.

Для этого случая характерен очень короткий факел с боль­шой интенсивностью процесса горения, который реализуется и при тангенциальном подводе. Пламя генерирует сильный шум, течение нестационарное; как и в изотермическом потоке, образуется ПВЯ,которое порождает очень большие пульсации скорости и давления.

2. Факел типа б - подвод топлива у основания горелки; 0,8 < ее < 40.

Этот тип факела со значительно меньшей интенсивностью процесса горения менее возмущен, чем факел типа а, так как возмущения в виде ПВЯ сильно подавлены как по амплитуде, так и по частоте . Внутри горелки всегда сущест­вует прослойка воздуха вокруг пламени, и горение на стенке не происходит. Длина и форма факела сильно меняются при изменении коэффициента избытка воздуха а; так, при a = f пламя проникает внутрь горелки на расстояние почти в три диаметра. Этот тип факела наиболее характерен для промышленных вихревых горелок.

Пределы срыва пламени, особенно при низких числах Рейнольдса, довольно широкие. По- видимому ПВЯ вызывает появление локальных зон в области горения, в которых реализуется благоприятное соотношение горючего и воздуха даже при большом избытке воздуха в общем потоке. Обнаруживается некоторое изменение интенсивности пульсаций при изменении коэффициента избытка воздуха, но основное воздействие обусловлено изменением числа Рейнольдса.

Устойчивость рассмотренных течений с закруткой, содержащих большое ПВЯ, можно охарактеризовать с помощью критерия Рэлея и модифицированного числа Ричардсона.

Условия устойчивости потока по Рэлею:

· поток устойчив, если pwr растет с ростом r ( вращение газа, как целого)

· поток нейтрально устойчив, если pwr не зависит от r (вращение по закону свободного вихря)

· поток неустойчив, если pwr уменьшается с ростом r

Сразу за ПВЯ в диапазоне r/re=0.43….0.52 (при изменении от 0 до 40) pwr уменьшается сростом r и, следовательно, ПВЯ в этой области нестабильно. В тоже время при изменении от 320 до 0 в диапазоне значений r/re= 0.45…0.55 величина pwr фактически постоянна по радиусу, и поэтому поток в этой области нейтрально устойчив.

При аксиальной и тангенциальной подаче топлива пламя намного равномернее, а процесс горения менее интенсивен, чем при предварительном перемешивании воздуха и топлива. Горение происходит в некотором удалении от стенок.