Механизм горения жидкого топлива Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Тяговооружённость ЛАВП:

977,8

= 0,033.

Полученное значение более-менее близко к интервалу тяговооружённостей ЛАВП, как класса транспортных машин. Это интервал от 0,04 до 0,1.

Отсюда следует невозможность перераспределением потоков воздуха в сопловом аппарате воздействовать на различные части ЛАВП, будь то нос или корма, приподнимать или опускать, осуществлять эффективное управление, повышать остойчивость. Маловероятно, что такое негативное явление, как «зарывание» носа судна можно излечить подачей воздуха в носовую часть, отбирая его от кормы. ЛАВП не ракета. Нос не «вынырнет» и не взлетит от реактивного эффекта воздушной струи потому, что эффект этот крайне мал. Воздух распределится равномерно подднищем и восстанавливающего момента не получится.

Более действенным и простым способом борьбы с «зарыванием» является аэродинамический эффект от крыла, устанавливаемого в носовой части ЛАВП. На больших скоростях движения момент тангажа нейтрализуется подъёмной силой крыла [6].

Летательный аппарат на воздушной подушке, дополнительно снабжается подъёмным аэродинамическим крылом, закреплённым на несущих элементах корпуса судна в носовой его части, при этом крыло установлено под углом атаки 4-5 градусов.

Угол атаки, равный 4-5 град., является оптимальным углом для эффективной работы крыла, применительно к ЛАВП. При таком угле атаки образуется максимальная подъёмная сила при минимальном лобовом сопротивлении крыла. При увеличении угла атаки за выбранный диапазон значительно возрастает сила сопротивления давления, которая обусловлена разностью давлений в точках крыла и направленная против движения судна. При выборе углов атаки ниже 4 град, наблюдается стремительное снижение подъемной аэродинамической силы

крыла до нулевой отметки, вплоть до появления обратного эффекта.

При движении судна возникающее во время манёвра или при сильном волнообразовании явление «вспахивания» нейтрализуется подъёмной аэродинамической силой, возникающей на крыле.

Библиографический список

1. Абрамович Г. Н. Прикладная газовая динамика. Часть 1 / Г.Н. Абрамович. — М. : Наука. 1991. — 601 с.: ил; Главная редакция физико-математической литературы.

2. Абрамович Г. Н. Прикладная газовая динамика. Часть 2 / Г.Н. Абрамович. — М. : Наука. 1991. — 305 с.: ил; Главная редакция физико-математической литературы.

3. Дейч М. Е. Техническая газодинамика. — Изд. 2-е, перераб. / М.Е. Дейч. —М.-Л. : Госэнергоиздат, 1961. — 671 с.: с черт. и ил.

4. http://www.wikipedia.org — универсальная интер-нетэнциклопедия «Википедия».

5. Патент России № 2256569 В60У1/12 «Аппарат на воздушной подушке (варианты)»: заявитель: Федеральное государственное унитарное предприятие «Центральный аэрогидродинамический институт им. профессора Н.Е. Жуковского» (ЦАГИ).

6. Патент России № 2008140468/22 В60У1/18 «Судно на воздушной подушке»: заявитель: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет» (ОмГТУ).

ВАВИЛОВ Игорь Сергеевич, аспирант кафедры «Авиа- и ракетостроение», инженер лаборатории технических средств обучения учебно-методического управления.

E-mail: [email protected]

Дата поступления статьи в редакцию: 16.02.2009 г.

© Вавилов И.С.

УДК 621.181.76

А. Г. МИХАЙЛОВ Д. С. РОМАНЕНКО

Омский государственный технический университет

ОАО АК «Омскагрегат»

МЕХАНИЗМ ГОРЕНИЯ ЖИДКОГО ТОПЛИВА

В статье рассматривается механизм горения подвижной капли жидкого топлива. Приведены уравнение движения и выражения, описывающие процессы тепломассообмена на границе раздела фаз жидкость-газ.

Ключевые слова: жидкое топливо, капля, горение, распыление.

В топочных устройствах жидкое топливо сжигается в распыленном состоянии, в виде капель в потоке воздуха. Горение происходит в газообразной фазе, поскольку процессу горения капли всегда предше-

ствует процесс испарения с ее поверхности [1]. Поступившая в топочное устройство капля прогревается и начинает испаряться. Вокруг капли образуется сферическая зона, насыщенная парами испаряю-

щейся жидкости. В условиях наличия окислителя и достижения в зоне температуры воспламенения в тонком слое на внешней части сферической поверхности начинается горение паров жидкости. Этот слой называется фронтом горения. Выделяющаяся при этом теплота способствует еще более интенсивному испарению капли. Скорость сгорания жидкого топлива определяется скоростью его испарения с поверхности, которая многократно увеличивается при распылении последнего на мелкие капли.

Поскольку скорость сгорания жидкого топлива в значительной мере определяется интенсивностью его испарения, важнейшим и первым этапом подготовки к сжиганию является распыление его на мельчайшие частицы. При распылении получаются капли размером от нескольких десятков до сотен микрометров. Наиболее мелкие капли испаряются и воспламеняются первыми, способствуя испарению и воспламенению более крупных.

Таким образом, процесс сжигания жидкого топлива состоит из следующих последовательных этапов: распыление топлива; образование горючей смеси, состоящей из окислителя, а также продуктов испарения и термического разложения углеводородов топлива; воспламенение горючей смеси в зоне фронта горения; горение горючей смеси.

Динамика движения

капель жидкого топлива

Рассмотрим закономерности динамики движения системы капель, получающихся на первом этапе в результате распыления топлива. Для моделирования движения частиц используется обычная мультифаз-ная модель, в которой частицы переносятся через поток. Полная фаза частиц моделируется как совокупность частиц с индивидуальными свойствами. Движение последних описывается с помощью обычных нестационарных дифференциальных уравнений для каждой частицы, которые включают в себя уравнения положения, скорости, температуры и массы.

Перемещение частицы вычисляется с использованием выражения для текущей координаты х, с учетом шага по времени 8/:

где индексы о и л соответствуют предыдущей и новой переменной во времени соответственно ИУ^ — скорость частицы.

Полагается, что отдельные частицы движутся в сплошном потоке - газовой среде. Силы, действующие на частицы, и которые создают ускорение частицы из-за разницы в скорости между последней и потоком, как правило, действуют и на поток. Уравнение движения для таких частиц приведено в различных источниках — [2, 3):

т„

(11)

I

сН

~ Р{> + Рц + Рц+ Рум + Рр + Рнл'

(1)

Ро=\соРрАг\и$\и$ ЛсоРгАР\иг-ир\(ир-ир),

гдеС„ - коэффициент сопротивления движению, Ае И Рр — площадь поперечного сечения и плотность частицы.

2, Подъёмная сила — сила, действующая на частицу, погруженную в жидкость (газ). Эта сила пропорциональна весу перемещенной жидкости и определяется:

Рв={тр-тр)д = тр

1 _£е.

9~^<%(рр-рр)д,

где тр1 р(, и тп, рР — масса и плотность частицы и потока окружающего газа, с!р - диаметр частицы.

3. Сила, обусловленная вращательным движением частицы относительно собственного центра масс. В данных расчетах предполагается её величина не значительной и поэтому не учитывается [3].

4. Сила, обусловленная ускорением частицы относительно газа. Определяется следующим выражением:

йЦг

сН Ш

где СуМ — справочный коэффициент.

5. Сила, обусловленная градиентом давления. Эта сила приложена к частице благодаря наличию градиента давления в газе, окружающем частицу и определяется как:

Р„ = -^УР,

Рг

где V Р — градиент давлен ия вдоль направления движения капли.

Эта сила существенна, если существуют большие градиенты давления в газовой среде.

6. Сила Бассэ, которая рассчитывается при медленном относительном движении частицы в газовом объёме. Влияние на частицу пренебрежимо мало.

Теплоперенос на границе раздела фаз

Перенос теплоты на границе газ-капля осуществляется прежде всего за счет основных физических процессов — конвекции и излучения. Это сопровождается переносом массы вещества из-за испарения жидкого топлива [4].

Конвективный перенос теплоты Осопределяется выражением:

Ос = лс1(ЛЫи(Тс — Т),

где X — коэффициент теплопроводности жидкости, Тс и Г — температуры жидкости и частицы и Л/и — число Нуссельта:

ЛГи = 2 + 0,6[*е05 ц-

I

Лз

я

в правой части которой расположены следующие силы: Рп - сила аэродинамического сопротивления; Р„ — подъёмная сила; — сила, обусловленная вращательным движением; Рш — сила, обусловленная ускорением частицы относительно газа; Рр - сила, обусловленная градиентом давления; Р)М — сила Бассэ.

Рассмотрим подробнее эти силы.

1. Сила аэродинамического сопротивления, действующая на частицу, пропорциональна разности 1/5 между скоростями частицы ир и жидкости 11 г:

где Ср, ц - теплоемкость и динамическая вязкость жидкости, Яе — число Рейнольдса.

Перенос теплоты Од,, связанный с переносом массы, определяется выражением:

сН '

где сумма берется для всех компонентов всех частиц, для которых теплообмен рассмотрен. Скрытая теплота парообразования V зависит от температуры, элементарного химического состава и свойств топлива.

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК W2 <В0).

ни

Перенос теплоты излучением О, для частицы с диаметром йр, температурой Три излучательной способностью є,, определяется:

=\єря(іі{і-<гпТЇ )-

где / — интенсивность излучения, пропорциональная полученному тепловому потоку поверхностью капли, п - коэффициент переломлення лучей в газе и а - постоянная Стефана-Больцмана.

Температура частицы рассчитывается с помощью выражения теплового баланса:

S(infcC,)^-0c+0M+0f,

(2)

dm

~dT

.9c. v ■

(3)

- = ndPDSh^- log

dt

W„

(4)

где сумма в этом уравнении берется для всех компонентов частицы.

Модель испарения жидкости

Модель испарения жидкости рассчитана для частиц с учетом теплоотдачи и однокомпонентным мас-сопереносом, в котором непрерывная среда в газообразной фазе имеет более высокую температуру, чем температура капли. Модель использует два выражения для перемещения массы вещества топлива в зависимости оттого, является ли температура капли выше или ниже точки кипения. Определяющим является выражение для определения давления:

Рулр ~ К'І ехР

где А, В и С — справочные коэффициенты. Топливо в капле кипит, если давление пара Рулр1 больше чем газообразное давление. Когда параметры капли находятся выше точки кипения, перемещение массы топлива определено выражением:

Когда термодинамические параметры капли ниже точки кипения массообмен выражается формулой:

Здесь 1Уси ^.молекулярные веса пара и смеси в газообразной фазе, ХиХс- мольные фракции веществ в капле и газообразной фазе, 5/) - число Шервуда, £> - коэффициент диффузии.

Уравнения (1), (2), (3) или (4) дополняются системой уравнений аэротермохимии, приведенной в [5,6, 7]. В эту систему входят в том числе и уравнения неразрывности для всей смеси и для каждого компонента, движения, энергии, состояния. Задаются соответствующие начальные и граничные условия.

Расчетная конструкция — горизонтальный цилиндр диаметром 0,5 метра. В левой вертикальной плоскости располагается входдля топлива (керосина) и окислителя (воздуха), в правой — выход для продуктов сгорания. Скорость капель на входе -10 м/с.

Результаты расчетов приведены на рис. 1, где

Рис. 1. Расчетные зависимости К/Т -*-!VT Q

К/Т — отношение конвективного потока теплоты в пристеночном слое к переданному количеству теплоты стенке (конвекцией и излучением): Л/Т - отношение потока теплоты излучения, переданному стенке, к переданному количеству теплоты стенке (конвекцией и излучением); Q — отношение величины общего теплового потока, переданному стенке к выделившемуся количеству теплоты при сгорании; q — приведеннаятеплота.

С вариациями геометрической характеристики (длины L) топочного объёма наблюдается изменение в соотношениях между потоками теплоты переданных излучением и конвекцией. В целом излучение преобладает, но конвективная составляющая достигает несколько десятков процентов в общем тепловом потоке, переданном стенке.

Библиографический список

1. Соколов Б.А. Котельные установки и их эксплуатация. - М. : ACADEMA, 2005. - 432 с.

2. Дейч М.Е., Филиппов Г.В. Газодинамика двухфазных сред. — М. : Энергия, 1968. — 423 с.

3. Щерба В.Е. Рабочие процессы компрессоров объёмного действия. — М. : Наука, 2008. — 320 с.

4. Вукалович М.П., Новиков И.И. Термодинамика. — М. : Машиностроение, 1972. — 672 с.

5. Алексеев Б.В., Гришин А.М. Физическая газодинамика реагирующих сред. — М. : Высшая школа, 1985. — 464 с.

6. Пашков Л.Т. Основы теории горения : учеб. пособие. - М. : МЭИ, 2002. - 136 с.

7. Теребилов С. В., Михайлов А.Г. Вопросы расчета процессов переноса теплоты в топке котла // Россия молодая: передовые технологии в промышленность : материалы II Всерос. молодежной науч.-техни. конф. — Омск : ОмГТУ, 2009. — Книга 3. — С. 92 — 95.

МИХАЙЛОВ Андрей Гаррьевич, кандидат технических наук, доцент, кафедра «Гидромеханика и транспортные машины» Омского государственного технического университета.

РОМАНЕНКО Дмитрий Сергеевич, инженер КБ, ОАО АК «Омскагрегат», г. Омск.

644050, г. Омск, пр. Мира, 11

Дата поступления статьи в редакцию: 19.05.2009 г.

© Михайлов А.Г., Романенко Д.С.