CC BY
14УДК 662.612—428.4
ПРОГРАММЫ РАСЧЕТА ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ ЗАКРУЧЕННЫХ ПОТОКОВ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ АЭРОДИНАМИКОЙ КОТЛОВ МАЛОЙ МОЩНОСТИ
Зайцев О.Н., Илаев Г. А., Атрощенко С.Ю.
ФГАОУ ВО «Крымский федеральный университет им. В.И. Вернадского»,
Академия строительства и архитектуры (структурное подразделение),
Адрес: г. Симферополь, ул. Киевская, 181.
Аннотация. Предложен комплекс программ расчета взаимодействующих двух встречных вращающихся потоков, смещенных относительно друг друга. Программы разработаны и реализованы на основании полученных теоретических зависимостей коэффициента крутки потока от частоты колебаний вихревого ядра, объема защитного газа и конструктивных параметров в области устойчивости закрученного потока, прецессии вихревого ядра в закрученном потоке, колебания скорости при взаимодействии закрученных струй. Результаты могут быть использованы при разработке энергосберегающих технологий в теплогенерирующих установках.
Ключевые слова: закрученные потоки, вихревое ядро, прецессия, аэродинамика топки, теплогенерирующая установка.
Введение.
Работа теплоэнергетического комплекса, в области теплоснабжения коммунальных объектов, определяется в первую очередь эффективностью энергопотребления, что на сегодняшний день не отвечает современным требованиям, поставило проблему разработки, исследования и внедрения энергосберегающих технологий в ряд стратегических задач государства. Одним из решений указанной проблемы может быть использование особенностей аэродинамики вращающихся потоков, управления
результирующим полем скорости при их взаимодействии [1-7]. Однако, последнее осложняется применением сильнозакрученных потоков, то есть в условиях первичного распада вихря, появления рециркуляционной зоны и возникающими низкочастотными колебаниями прецессирующего вихревого ядра (ПВЯ) в потоке. При этом вопросы влияния колебаний ПВЯ на устойчивость потока, особенно при взаимодействии вращающихся струй, аэродинамика которых изучена недостаточно, а методики эволюции поля скоростей вращающихся струй и их устойчивости с течением времени при наличии ПВЯ отсутствуют. При этом, уменьшение протяженности тепловых сетей привело к уменьшению числа теплогенерирующих установок в котельных, то есть к снижению эффективности работы оборудования вследствие его работы в неоптимальных режимах практически на всем протяжении отопительного периода, что выдвигает на первый план проблему расширения режимов работы теплоэнергетического оборудования малой мощности, применяемого, в основном, для систем децентрализованного теплоснабжения жилищно-коммунального
хозяйства.
Целью данной работы является развитие теоретических представлений по формированию и эволюции результирующего поля скорости при
различном пространственном взаимодействии закрученных потоков, характеризующихся развитой зоной обратных токов и наличием прецессирующего вихревого ядра. Для достижения цели работы решены следующие задачи:
- теоретические исследования зависимости движения ПВЯ в закрученном потоке и определение влияние на него нутации вихревого ядра;
- разработка программы расчета движения ПВЯ в закрученном потоке, возмущающей силы, инициируемой ПВЯ, устойчивости закрученного потока при наличии обратных токов и ПВЯ, результирующей скорости при взаимодействии встречных смещенных вращающихся потоков;
Реализация результатов исследований в работе теплоэнергетического оборудования.
В настоящее время одним из наиболее перспективных методов интенсификации передачи тепла в камерах сгорания является приближение максимума температур, создаваемого
взаимодействующими закрученными потоками к поверхности нагрева [8-10, 16, 19, 20].
На основании полученных в [3] результатов исследований выявлено, что применение взаимодействующих встречных закрученных потоков, смещенных относительно друг друга, позволяет автоматизировать управление
формированием требуемого результирующего поля скоростей в зависимости от конфигурации пространства и тепловой нагрузки в топке котла.
Таким образом, предложен способ интенсификации передачи тепла в камерах сгорания, заключающийся во взаимодействии двух встречных закрученных потоков, смещение которых относительно друг друга формирует требуемое результирующее поле скоростей в зависимости от конфигурации пространства топочной камеры. Сравнение экспериментальных данных
результирующих скоростей при взаимодействии
встречных смещенных закрученных потоков, сходящихся под различным углом, встречных и параллельных закрученных струй показало, что предложенный способ позволяет до 20% увеличить диапазон варьирования тепловой нагрузки оборудования.
В качестве базы для визуализации получаемого в результате взаимодействия прямоточных и закрученных струй диффузионного пламени была использована горелка Бунзена, на которую коаксиально устанавливался патрубок с тангенциальным подводом воздуха, расход последнего варьировался шибером, установленным на выходе из вентилятора таким образом, чтобы не превышать коэффициент избытка воздуха более 1,1.
Формирование пламени при сжигании встречных, смещенных в горизонтальной плоскости закрученных потоков газа показало, что разрыва пламени не наблюдается даже при смещении горелок на 3 диаметра (рис.1).
Рассмотрение пламени, образованного при крутке сжигаемого газа внешним потоком воздуха в одиночной струе (рис.2) показало, что в данном случае также имеется прецессирующее вихревое ядро, которое располагается между областью обратных токов и внешней границей струи и вследствие разности скоростей на различных участках ядра размывается и имеет собственное вращение, что подтверждает теоретические исследования, сделанные в [3].
а) Смещение 0,015 м. б) Смещение 0,03 м.
Рис.1. Взаимодействие встречных, смещенных в горизонтальной плоскости струй сжигаемого газа.
а) Вид сверху.
Рис.2. Сжигание сжиженного газа в одиночной
Методика расчета поля скорости при различных видах взаимодействия закрученных потоков
В соответствии с назначением разработанных средств и способов применения закрученных потоков были разработаны и реализованы на основании полученных теоретических зависимостей настоящей работы [1115] в компьютерных программах следующие расчеты:
б) Изолинии температурного поля. закрученной струе.
- зависимость коэффициента крутки потока от частоты колебаний вихревого ядра, объема защитного газа и конструктивных параметров в области устойчивости закрученного потока;
- моделирование прецессии вихревого ядра в закрученном потоке;
- исследования колебаний скорости в закрученном потоке;
- колебания скорости при взаимодействии закрученных струй.
Все эти расчеты объединены в один комплекс программ, позволяющий после введения исходных данных получить не только численные значения, но и графическое отображение результатов, совместимое с представлением их в других различных программных продуктах, в частности в среде «Excel».
Так для расчета зависимости степени крутки потока необходимо ввести (рис.3): d -диаметр сопла, м; a - расстояние от точки резки до сопла, м; R - радиус сопла, м; Q - массовый расход газа, кг/м3; V - частоту колебаний вихревого ядра, с-1. Полученные результаты приведены на рис.4.
Зависимость коэффициента крутки потока от час тоты колебаний вихревого ядра, объема защитног о газа и конструктивных параметров в области ус тойчивости закрученного потока
й - диамет р сопла 0,1 м коэс )фищ ^ент крутки потока
а - рассто яние от т очки резк и до сопл а 0,5 м | График S(Q)
Р - радиус сопла 0,05 м
О - массов ый расход газа 0,15 кг/ 3 м
V - частот а колебан ий вихрев ого ядра 300 с"1
количест во точек графика 30 диап азон знач ений -10 30
График S(d) График Vy(x) График S(v)
Рис.3. Форма расчета зависимости степени крутки потока от конструктивных и динамических параметров.
Б(а)
Рис.4. Результаты расчета зависимости степени крутки потока от массового расхода газа.
Для расчета прецессии вихревого ядра в закрученном потоке в соответствующие поля исходных данных необходимо ввести:
О — угловую скорость вращения вихревого ядра, предварительно рассчитанную по формулам, приведенным в [21] ;
С — константа;
х, у — текущие координаты точки; р — плотность газа, кг/м3. В результате расчета получают зависимости радиальной и тангенциальной скорости от скорости от амплитуды колебаний вихревого ядра и
координат (на рис.5 приведен график зависимости радиальной скорости от амплитуды колебаний вихревого ядра для выбранных исходных данных).
Расчет колебаний скорости в закрученном потоке выполняется в третьей программе, для чего необходимо ввести следующие исходные данные: О — угловую скорость вращения вихревого ядра, предварительно рассчитанную по формулам, приведенным в [3]; К — константа; х, у — текущие координаты точки; р — плотность газа, кг/м3; V — кинематическая вязкость газа; п — волновое число; t — время, с.
Рис.5. Результаты расчета зависимости радиальной скорости закрученного потока от амплитуды
колебаний вихревого ядра.
В четвертом разделе программы выполняется расчет результирующей скорости при взаимодействии двух закрученных потоков в случае с развитым вихревым ядром в каждом из них, для чего вводятся следующие исходные данные:
О — угловую скорость вращения вихревого
ядра;
С — константа;
х, у — текущие координаты точки; р — плотность газа, кг/м3; V — кинематическая вязкость газа; п — волновое число;
a — эмпирический коэффициент длины смешения струй;
f — частота колебаний вихревого ядра, с-1; t — время, с.
Таким образом, по разработанным программам можно получить данные об устойчивости отдельных закрученных потоков, величине возмущающей силы при прецессии вихревого ядра, результатов воздействия закрученных струй на устойчивость создаваемой структуры.
Вывод
Результаты выполненных исследований могут быть использованы при разработке, исследовании и внедрении автоматизированных энергосберегающих технологий для повышения эффективности работы децентрализованных теплогенерирующих систем малой мощности [1718], в частности, на основе использования закономерностей аэродинамики камер сгорания путем внедрения нового класса взаимодействующих вращающихся потоков с прецессирующим вихревым ядром. В качестве основных результатов данной работы можно указать, что причиной подавления пульсаций ПВЯ является переход его от вращения как твердого тела к вращению по закону свободного вихря, что вызывает расщепление последнего на несколько прецессирующих вихревых ядер с меньшей интенсивностью, частота колебаний которых приближается к частоте турбулентных пульсаций в турбулентной струе.
Предложен новый способ варьирования тепловой нагрузки в теплогенерирующих установках малой мощности, заключающийся во взаимодействии двух встречных вращающихся потоков, смещение которых относительно друг друга формирует требуемое результирующее поле скоростей в зависимости от конфигурации пространства топочной камеры [3, 11-15]. В соответствии с назначением разработанных средств и способов применения закрученных потоков были разработаны и реализованы на основании полученных теоретических зависимостей настоящей работы в компьютерных программах расчеты зависимости коэффициента крутки потока от частоты колебаний вихревого ядра, объема защитного газа и конструктивных параметров в области устойчивости закрученного потока, процессии вихревого ядра в закрученном потоке, колебания скорости при взаимодействии закрученных струй.
Список литературы
1. А. Гупта, Д.Лилли, Н.Сайред. Закрученные потоки: Пер. с англ. /А.Гупта, Д.Лилли, Н.Сайред. -М.: Мир, 1987,—588с.
2. Штихлинг Г. Теория пограничного слоя. /Г.Шлихтинг -М.: Наука, 1974.—711 с.
3. Зайцев О.Н. Управление аэродинамической обстановкой в рабочем объеме теплогенерирующих установок.// Вестник ОГАСА, Одесса, 2002. —№7. — С. 60—64.
4. Алексеенко С.В. Введение в теорию концентрированных вихрей /С.В. Алексеенко, П.А.Куйбин, В.А.Окулов.-Новосибирск:Институт теплофизики СО РАН, 2007. - 507с.
5. Штым А.Н., Воротников Е.Г., Распутин О.В., Штым К.А. Опыт освоения вихревой технологии сжигания твердого топлива // Энергетик.- 2011.-№9.- С.23-25.
6. Штым А.Н., Штым К.А. Модернизация паровых и водогрейных котлов с установкой циклонных предтопков для сжигания мазута и газа // Энергетик. -2010.-№10. -С.25-28.
7. Штым А.Н., Штым К.А., Дорогов Е.Ю. Котельные установки с циклонными предтопками: монография / А.Н. Штым, К.А. Штым, Е.Ю. Дорогов; Дальневос.федерал.ун-т. - Владивосток: Изд-во дом Дальневос. федерал.ун-та, 2012.-421 с.
8. Быстров Ю.А., Исаев С.А., Кудрявцев Н.А., Леонтьев А.И. Численное моделирование вихревой интенсификации теплообмена в пакетах труб. — СПб.: Судостроение, 2005.-392 с.
9. Денисихина Д.М., Бассина И.А., Никулин Д.А., Стрелец М.Х. Численное моделирование автоколебаний турбулентной струи, истекающей в прямоугольную плоскость // ТВТ. 2005. Том 43. №4 - С. 568-579.
10. Гримитлин А.М., Дацюк Т.А., Денисихина Д.М. Математическое моделирование в проектировании систем вентиляции и кондиционирования: монография / А.М.Гримитлин, Т.А.Дацюк, Д.М. Денисихина.- СПб : АВОК Северо-Запад, 2013. - 192 с.
11. Борисенко К.А., Зайцев О.Н. Современные системы обеспечения теплового режима зданий // Труды Междунар. научно-технической конф. «11-ый Европейский форум энергетиков». - Opole (Poland). - 2008.- С. 247-252.
12. Lubarec A.P., Zaitsev O.N. Power saving technologies in modern systems of water heating // Motrolyzacja I energetyka rolnictwa. Lublin: Motrol, 2009, .№11, p.214-219.
13. Топорен С.С., Зайцев О.Н. Особенности конструирования теплогенерирующих установок малой мощности // Труды международной конференции «Энергия -2010», Lublin: Motrol, 2010, сб.№12С, с. 198-203
14.Топорен С.С., Зайцев О.Н. Компьютерное моделирование аэродинамики топки котлов // Сборник научных трудов.НПК НАПКС «Актуальные проблемы архитектуры, строительства и энергосбережения», вып.1, Симферополь, 2009, С.121-124.
15. Зайцев О.Н., Топорен С.С., Лукьянченко Д.М. Теплогенерирующие установки малой мощности с вихревыми топками: моногр. / О. Н. Зайцев, С.С. Топорен, Д.М. Лукьянченко. - Одесса: ОДАБА, 2014—132 с.
16. Довмир Н. М. Низкотемпературные режимы систем отопления как предпосылка эффективного применения конденсационных котлов и тепловых насосов // Пром. теплотехника. — 2008. — № 5— С. 62-68.
17. Накорчевский А.И. Система теплоснабжения теплоавтономного дома // Пром. теплотехника. — 2009. — № 1— с. 67-73
18. Юрченко О., Любарец А., Дихтярь Т., Зайцев О. Экспериментальные исследования колебаний скорости в сильнозакрученной газовой
струе с прецессирующем вихревым ядром // Труды международной конференции «Энергия -2010», Lublin: Motrol, 2010, сб. № 12С, С.266-272.
19. Боровский Б.И., Морозов А.Д., Ковалёв А.А. Использование кинематической аналоги течения жидкости для расчета геометрических параметров шнеков пневмовинтового оборудования
// Строит. и дорожные машины.- 1993. — №1. — С.21-23.
20. Воинов А.П., Воинова С.А. О перспективе развития котлостроения и котлоиспользования в Украине // Енергетика та електрифшащя. — 2015. — №4. — С. 15-19.
Zaitsev, O. N., Ilaev G. A. Atroshchenko S. Yu.
THE PROGRAM OF THE CALCULATION OF INTERACTING SWIRLING FLOWS TO CONTROL THE AERODYNAMICS OF LOW POWER BOILERS
Annotation. The complex of programs of calculation of interacting of two counter-rotating flows shifted relative to each other. Programs are developed and implemented on the basis of these theoretical curves twist the flow rate of the vortex core frequency vibrations, volume of the protective gas and the design parameters in the field of sustainability swirling flow, the vortex core of the procession in the swirling flow, velocity fluctuations in the interaction of swirling jets. The results can be used in the development of energy-efficient heat-generating installations in the technology.
Keywords: swirling flows, the vortex core precession, the aerodynamics of the firebox, heat generating plant.
