"Вихревые горелки"

Содержание :

1. Характеристики закрученных потоков 3
2. Формирование закрученных течений 7
3. Топки, горелки и циклоны 11
4. Характерные особенности закрученных потоков 15
5. Изменение структуры потока с увеличением закрутки 18
6. Структура рециркуляционной зоны 20
7. Вихревые горелки, прецессирующее вихревое ядро в потоке с горением

22

8. Горение в закрученном потоке 25

9. Пределы срыва и устойчивость пламени 28

10. Проектирование вихревых горелок 29

11. Список использованной литературы 31

1. ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗАКРУЧЕННЫХ ПОТОКОВ

Сильное влияние закрутки на инертные и реагирующие течения хорошо известно и изучается на протяжении многих лет. Когда эффект закрутки оказывается полезным, конструктор старается создать закрутку, наиболее подходящую для решения его задач; если же подобные эффекты нежелательны, конструктор предпринимает усилия для регулирования или устранения закрутки.
Закрученные течения имеют широкий диапазон приложений. В случае отсутствия химических реакций сюда относятся, например, течения в вихревых реакторах, циклонных сепараторах и трубах Ранка - Хилша, при срыве вихревой пелены с крыльев самолета, в водоворотах и торнадо, в устройствах для распыления аэрозолей в сельском хозяйстве, в теплообменниках, струйных насосах, а также теория бумеранга и полета пчелы. В течениях с горением широко используется сильное благоприятное влияние закрутки инжектируемых воздуха и горючего на улучшение стабилизации высокоинтенсивных процессов горения и при организации эффективного чистого сгорания во многих практических устройствах: в бензиновых и дизельных двигателях, в газовых турбинах, промышленных печах, бойлерах и других технических нагревательных аппаратах.
В последнее время усилия исследователей были направлены на понимание и описание аэродинамики закрученных течений с процессами горения газообразных, жидких и твердых топлив. Экономичное конструирование и экологичность работы технических устройств с горением могут быть значительно улучшены дополнительными экспериментами и модельными исследованиями. При этом экспериментальная и теоретическая аэродинамика течений с горением используется вместе со сложными методами вычислительной гидродинамики. Развитие и совершенствование этих методов позволят значительно снизить затраты времени и средств на программы развития новых устройств.

Закрученные течения являются результатом сообщения потоку спирального движения с помощью закручивающих лопаток, при использовании генераторов закрутки с осевым и тангенциальным подводом или прямой закруткой путем тангенциальной подачи в камеру с формированием окружной компоненты скорости
(называемой также тангенциальной или азимутальной компонентой скорости).
Экспериментальные исследования показывают, что закрутка оказывает крупномасштабное влияние на поле течения: на расширение струи, процессы подмешивания и затухания скорости в струе (в случае инертных струй), на размеры, форму и устойчивость пламени и интенсивность горения (в случае реагирующих потоков). На все эти характеристики влияет интенсивность закрутки потока. Интенсивность закрутки обычно характеризуется параметром закрутки, представляющим собой безразмерное отношение осевой компоненты потока момента количества движения к произведению осевой компоненты потока количества движения и эквивалентного радиуса сопла, т. е.

[pic] (1.1), где величина

[pic] (1.2) является потоком момента количества движения в осевом направлении и учитывает вклад х - (-компоненты турбулентного сдвигового напряжения; а величина

[pic](1.3) является потоком количества движения в осевом направлении и учитывает вклад турбулентного нормального напряжения и давления (осевая тяга), d/2—радиус сопла, и, v, ? - компоненты скорости в направлении осей х, r, ( цилиндрической системы координат.

В свободной струе, распространяющейся в затопленном пространстве, величины Gх и G( постоянны, т. е. являются инвариантами для данной струи.

Если использовать уравнение для количества движения в радиальном направлении и пренебречь слагаемыми [pic], то вклад давления в Gx можно выразить через ? следующим образом:

[pic] (1.4).

Эту характеристику зачастую трудно измерить с хорошей точностью, поэтому используются альтернативные упрощенные варианты. Иногда величину S рассчитывают без учета турбулентных напряжений, иногда пренебрегают вкладом давления. В этих случаях величины G( и Gх при смещении вниз по потоку не сохраняются.

Рассмотрим сначала случай, когда поток закручен как целое на выходе из сопла, т.е.

[pic], [pic].

Иными словами, профиль осевой скорости и считается равномерным, а скорость закрутки ? возрастает от 0 (при r=0) до ?m0 (при r=d/2, т.е. на стенке сопла). Если вклад давления в Gх сводится к учету слагаемого ?2/2, а турбулентными напряжениями пренебрегают, то это дает

[pic], [pic], где Gх=?m0/um0 - отношение максимальных скоростей в выходном сечении сопла. Таким образом, параметр закрутки S может быть представлен в виде

[pic] (1.5), где связь S и G проиллюстрирована на рис.1.1, где также приведены экспериментальные значения измеренных независимо величин S и G. Соотношение
S ~ G для вращения газа как целого правдоподобно описывает реальный случай истечения из генератора закрутки при G < 0,4 (S ( 0,2). Однако при более интенсивности закрутки распределение осевой скорости значительно отклоняется от равномерного; большая часть потока выходит из отверстия вблизи внешней кромки; в качестве примера на рис.1.2 приведены распределения осевой, окружной и радиальной скоростей в кольцевом выходном сечении генератора закрутки с тангенциальным и осевым подводом, полученные экспериментально при нескольких значениях параметра закрутки. Указанная теоретическая зависимость

Рис.1.1. Соотношение между параметрами S и G, характеризующими закрутку.

[pic]Рис. 1.2. Радиальные распределения осевой, окружной и радиальной скоростей на выходе из закручивающего устройства со смешанной тангенциально- осевой подачей, демонстрирующие влияние изменения степени закрутки [pic]: а — осевая скорость; б — окружная скорость; в — радиальная скорость.