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.