Особенности распределения концентрации конденсированной фазы в газогенераторе с диафрагмой Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

ТЕРМОГАЗОДИНАМИКА. ТЕПЛОМАССООБМЕН

УДК 621.453; 457.001.57

ОСОБЕННОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ КОНДЕНСИРОВАННОЙ ФАЗЫ В ГАЗОГЕНЕРАТОРЕ

С ДИАФРАГМОЙ

А. А. Евланов, Е.В. Степанова

Работе рассмотрены газодинамические процессы, протекающие в газогенераторе с диафрагмой с продуктами сгорания, имеющими высокое содержание конденсированной фазы. Проведены расчеты параметров течения продуктов сгорания, определены особенности распределения концентрации конденсированной фазы в газогенераторе с диафрагмой. Полученные результаты позволяют определить зоны максимальной концентрации и осаждения конденсированной фазы и выдать рекомендации по проектированию газогенератора.

Ключевые слова: газогенератор, диафрагма, продукты сгорания.

В современных газогенераторах на твердом топливе различного назначения в ряде случаев используются топлива с высоким содержанием металлического горючего. Гетерогенные продукты сгорания этих топлив отличаются значительным массовым содержанием конденсированной фазы и агломератов.

Наличие высокого содержания конденсированной фазы в продуктах сгорания обусловливает интенсивное локальное осаждение частиц конденсированной фазы и агломератов на отдельные участки поверхности проточных частей газогенераторов, что приводит к высокому уровню кондук-тивного теплообмена на данных участках и при определенных условиях может вызвать прогар корпуса газогенератора. Данный эффект особенно характерен для газогенераторов, содержащих диафрагму с системой газоводов. При обтекании диафрагмы такой конфигурации потоком продуктов сгорания образуются зоны с низкими скоростями течения, что способствует отложению конденсированной фазы и агломератов.

Анализ картины течения продуктов сгорания в области за диафрагмой показывает, что структура течения является сложной и характеризуется наличием систем рециркуляционных зон.

В связи с этим, при проектировании газогенераторов с промежуточной диафрагмой необходимо проведение оценок распределения концентрации к-фазы.

В основу математической модели газодинамических процессов положены уравнения движения многофазного газа, при этом используется гипотеза сплошности всех совместно движущихся компонентов. В соответствии с принятыми допущениями использовалась следующая математическая модель движения гетерогенной среды[1].

Для газовой фазы система уравнений сохранения и уравнение состояния имеют вид:

dp

Ж

+ pdiv Ж = 0, V хт е У0, г > 0;

dW ~ ~

р-= рР - gradP + Бы О — р, V хт е У0, г > 0;

dt т

р — = рР • Ж — div(РЖ) + div(ОЖ) — е/, Vхт е У0, г > 0;

dt

Р = рЯТ,

где Уо - объем области; г - время, Е = и+Ж2 /2 - удельная полная энергия смеси, и = сТ - удельная внутренняя энергия, сЛ) - удельная теплоемкость; Я - газовая постоянная, Ж - вектор скорости газового потока в данной точке; Р и Т - местные термодинамическое давление и температура; хт - пространственные координаты; р- плотность газа; О- тензор напряжений вязкости; Р- вектор плотности внешних массовых сил, - вектор приведенных сил межфазового взаимодействия:

= - С §рл5 2 | Ж — Жк |*( Ж — Жк ^

о

где Сз = Сх • Сс/ - коэффициент аэродинамического сопротивления частицы, Сх - коэффициент, учитывающий отклонение формы частицы от идеальной сферической, ег = р • | Ж — Жк | - интенсивность обмена удельной

полной энергией межфазового взаимодействия (включающая теплообмен, работу межфазовых сил).

Движение конденсированной фазы описывалось следующей системой уравнений:

dPk

+ рЖ, = 0, V х е У0, г > 0

Г к к ? т О ?

dt

dW dt

dt

рк= ркР + Р, V Хт е Уо , г > 0;

=ркР • Жк + ег, V Хт е Уо, г > 0.

Решение данной системы уравнений при соответствующих граничных условиях осуществлялось с использованием программного комплекса Gas 2.

Рассматривался вариант выполнения проточной полости диафрагмы сгазоводами относительной длины 0,5 d, где d - диаметр газовода. Давление и температура втекающего в преддиафрагменный объем потока принимались равными 15 МПа и 2800 К, размер частиц конденсированной фазы 8 мкн, форма частиц - сферическая, концентрация частиц конденсированной фазы на входе в преддиафрагменный объем -2,7 кг/м3.

На рис. 1 приведена расчетная сетка для рассматриваемой области течения, количество ячеек - порядка 50000.

Рис. 1. Расчетная сетка

На рис. 2 представлено распределение скорости потока в виде изолиний, на рис. 3 линии тока, векторная картина течения - на рис. 4.

Рис. 2. Распределение скорости в виде изолиний

Рис. 3. Линии тока

Эпюра распределения концентрации конденсированной фазы в пристеночной области приведена на рис. 5, эпюра распределения скорости конденсированной фазы в пристеночной области - на рис. 6.

Рис. 5. Эпюра концентрации к-фазы в пристеночной области

СнщМчзы м/с

58771

Рис. 6. Эпюра распределения скорости в пристеночной области

В результате проведенных расчетов было построено распределение концентрации конденсированной фазы в пристеночной области по длине камеры газогенератора в области за диафрагмой (рис. 7), где Ь - относительное расстояние от диафрагмы, Ь = Х, где х - продольная координата.

Результаты расчета показывают, что повышенная концентрация конденсированной фазы наблюдается в преддиафрагменной области, у стенки корпуса газогенератора, а также в области за диафрагмой на расстоянии около 3Б, где Б - внутренний диаметр камеры сгорания газогенератора, что объясняется большей инерционностью конденсированной фазы по сравнению с инерционностью продуктов сгорания.

о 1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1

О 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6 2,8 3

Рис. 7. Распределение концентрации к-фазы по длине камеры Ь в пристеночной области на удалении от стенки 0,01 Б

Концентрация конденсированной фазы в преддиафрагменной области у стенки камеры сгорания достигает значений до 12 кг/м3, в области за диафрагмой на расстоянии 3 D - 16 кг/м3, что соответственно в 4,5 и 6,0 раз превышает начальную концентрацию частиц конденсированной фазы на входе в преддиафрагменный объем. Следствием данного эффекта является повышенное осаждение конденсированной фазы и агломератов на поверхность корпуса, что может привести к прогару корпуса газогенератора.

Проведенные расчеты позволяют оценить распределение концентрации конденсированной фазы и выдать рекомендации по выбору рациональных конструктивных параметров тепловой защиты при проектировании газогенератора с промежуточной диафрагмой.

Список литературы

1. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Дрофа, 2003.

840 с.

Евланов Андрей Александрович, аспирант, инженер 2 категории, ewlanow 71@,mail.ru, Россия, Тула, «АО ««НПО Сплав» им. А.Н. Ганичева,

Степанова Евгения Викторовна, аспирант, инженер 1 категории, evg_nikolaeva@mail.ru, Россия, Тула, «АО ««НПО Сплав» им. А.Н. Ганичева

FEA TURES OF THE DISTRIBUTION OF CONCENTRA TION OF THE CONDENSED PHASE IN THE GAS GENERATOR WITH DIAPHRAGM

A.A. Evlanov, E.V. Stepanova

In the present work, gas-dynamic processes occurring in a gas generator with a diaphragm with combustion products having a high content of the condensed phase are considered. The calculations of the flow parameters of combustion products are carried out, the features of the distribution of the concentration of the condensed phase in the gas generator with a diaphragm are determined. The results obtained allow us to determine the areas of maximum concentration and deposition of the condensed phase and to issue recommendations for the design of the gas generator.

Key words: gas generator, diaphragm, combustion products.

Andrey Evlanov, graduate student, ing. 2 categories., Ewlanow71@mail.ru, Russia, Tula, JSC «NPO «Splav» them. A.N. Ganicheva,

Stepanova Evgenia Viktorovna, graduate student, ing. 1 categories, evgnikolaeva @ mail.ru, Russia, Tula, JSC «NPO «Splav» them. A.N. Ganicheva