CC BY
39
УДК 621.1.01:533
ЗАКРУЧЕННЫЕ ПОТОКИ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ АППАРАТАХ
Ж.А. Тулебаева, Г.Ы. Оразалина Павлодарский государственный университет
¡¡¡¡и!
им. С. Торайгырова
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.
Закрутка потоков создается тремя основными методами:
- использованием тангенциального подвода (генератор закрутки с осевым и тангенциальным подводом);
- применением направляющих лопаток (закручивающее устройство);
- непосредственным вращением (вращающаяся труба).
На рис.1.1 показано закручивающее устройство (с осевым и тангенциальным подводом), широко используемое для создания однородных устойчивых струй для подробных экспериментальных исследований. Количество подаваемого воздуха может регулироваться и измеряться отдельно, так что простым изменением расходов воздушных потоков можно изменять степень закрутки от нулевой до очень высокой, приводящей к образованию сильно закрученных струй с обратными токами. Для таких систем требуется относительно высокий уровень полного давления, и в промышленных горелках часто используются системы с направляющими лопатками, в которых лопатки расположены таким образом, что они изменяют направление потока.
Рис.1.1 - Закручивающее устройство с осевым и тангенциальным подводом.
При радиальном подводе воздуха к закручивающему устройству радиальные и тангенциальные углы лопаток могут быть изменены на месте при реализации закручивающего устройства с адаптивным блоком, что в конечном итоге аналогично использованию тангенциального подвода. Система с адаптивным блоком эффективна в том случае, когда необходимо создать определенный уровень закрутки при относительно низком перепаде давления, поскольку при этом можно получить высокую интенсивность закрутки. В случае осевого течения в трубе закручивающее устройство или закручивающий лопаточный аппарат состоит из фиксированных лопаток с углом установки ср относительно
направления основного потока. Эти лопатки отклоняют поток и придают ему вращательное движение. Такой метод используется в топках и газотурбинных камерах сгорания. Обычно лопатки устанавливаются на центральной втулке и располагаются в кольцевой области вокруг нее. С целью улучшения условий на выходе делались попытки использовать закручивающие устройства без втулок, однако срыв потока на лопатках обусловливает сложную картину течения и приводит к нарушению осевой симметрии. Закрутка может быть также создана непосредственным вращением потока. Так, в одном из экспериментов использовался цилиндр, вращающийся с частотой 9500 об/мин и создающий закрутку силами трения на стенке цилиндра, действующими на проходящий через него поток. Вследствие относительно низкой вязкости воздуха таким методом можно создать лишь небольшую закрутку. Силы трения могут быть значительно увеличены установкой во вращающую трубу перфорированных пластин, пучков труб или пористых дисков. На выходе из таких систем получаются профили скорости, соответствующие закрутке газа как целого, аналогично случаю увлечения частиц жидкости диском, вращающимся с постоянной угловой скоростью П. В вязкой жидкости вращающиеся течения (т.е. вихри) всегда содержат центральное ядро с вращением жидкости как целого (или вынужденный вихрь). Вне центральной области могут преобладать условия свободного (или потенциального) вихря, что наблюдается при образовании в атмосфере смерчей, пылевых бурь, торнадо, ураганов и циклонов. Огневые смерчи, возникающие при лесных и городских пожарах, могут быть смоделированы в лабораторных условиях вращением большого цилиндрического экрана из проволочной сетки над разлитым жидким горючим или над газовым факелом, когда пламя располагается по центральной вертикальной оси цилиндра.
Для классификации и оценки этих типов течений целесообразно рассмотреть движение жидкости в цилиндрических координатах. Предполагаются осевая симметрия и равенство нулю радиальной и осевой скоростей (и=у=0). Тогда единственной ненулевой компонентой скорости оказывается окружная, зависящая только от радиуса со=:Г(г). Завихренность со определяется как ротор вектора скорости. В простом случае вращающейся жидкости, когда и=у=0 и скорость закрутки зависит только от радиуса г, завихренность равна
со = гоШ =
-—Мм
г ог
т.е. отлична от нуля лишь х-компонента вектора ю. Во вращающихся течениях с распределением окружной скорости со=с/г (1.11)
завихренность равна нулю (со==0). Такие течения являются потенциальными (безвихревыми) и называются потенциальными или свободными вихрями.
Течения с вращением жидкости как целого имеют распределение скорости ю—с'г (1.12) и называются вынужденными вихрями. Ясно, что вектор со в них отличен от нуля и такие течения называются завихренными.
В любом случае циркуляция Г вдоль одной из концентрических траекторий вращательного движения определяется выражением Г = 2лтсо, где со не зависит от 6. Другим параметром является угловая скорость относительно центральной оси О = со/г.
Все три типа вихрей в реальных жидкостях имеют центральное вихревое ядро с ненулевой завихренностью. Окружная скорость равна нулю на оси симметрии. Свободные и вынужденные вихри можно различить по радиальному положению максимума окружной скорости; т. е. в свободном вихре максимум расположен вблизи оси симметрии, в то время как в вынужденном вихре максимум находится на внешней границе вихря. Все величины для составного вихря Рэнкина (или свободно-вынужденного вихря) определяются выражениями для вынужденного вихря при малых г и выражениями для свободного вихря при больших г.
При выборе закручивающего устройства решающим фактором является его эффективность, поскольку лишь часть падения давления на горелке переходит в кинетическую энергию получающегося закрученного струйного течения, остальная часть механической энергии теряется. Можно ввести параметр V, называемый коэффициентом потока кинетической энергии кольцевого закрученного течения. Его значение зависит от типа созданного вихря, внешнего и внутреннего диаметров трубы.
Рис. 1.2. - Эффективность закрутки а в зависимости от параметра закрутки Б хтя различных закручивающих устройств:
1 - закручивающее устройство с адаптивным блоком (Я = 80 мм); 2
- закручивающее устройство с осевым и тангенциальным подводом; 3
- закручивающее устройство с направляющими лопатками (Ы = 62 мм).
Эффективность закрутки в при заданной интенсивности закрутки представляет собой отношение кинетической энергии закрученного потока, протекающего через горло горелки, к падению статического давления между входным сечением и горлом. На рис. 1.2 представлены экспериментальные значения е для различных значений параметра закрутки 8 и различных типов закручивающих устройств.
1. Закручивающее устройство с осевой и тангенциальной подачей наиболее эффективно при малых интенсивностях закрутки, но малоэффективно при больших интенсивностях закрутки. Например, при 8=1 его эффективность е=40%. Столь низкая эффективность связана главным образом с большой площадью внутренней поверхности внутренней трубы горелки, особенно вверх по потоку от отверстия тангенциальной подачи.
2. Закручивающее устройство с адаптивным блоком имеет относительно низкую эффективность при низкой и средней интенсивности закрутки (г=58% при 8=0,4), но его эффективность остается неизменной и может даже повышаться при более высокой интенсивности закрутки.
3. Закручивающий аппарат с радиальной подачей потока имеет относительно высокую эффективность (8=75% при 8=1).
4. Закручивающий аппарат с осевой подачей имеет относительно низкую эффективность (е=30% при 8=1).
Эффективность закрутки представляет собой меру создания конкретной интенсивности закрутки 8; это вовсе не мера эффективности создания определенного типа поля течения; это означает, что при одинаковой интенсивности закрутки различными типами закручивающих устройств (с различными профилями скорости на выходе) создаются разные поля течения вниз по потоку.
В топливосжигающих устройствах наряду с другими возможностями воздействия на характеристики пламени часто используется закрутка. Закрутка воздуха, впрыскиваемого топлива или того и другого весьма благоприятно сказывается на структуре течения, что в свою очередь способствует достижению проектных характеристик устройств. Для того чтобы придать потоку вращение, используются лопаточные завихрители, закручивающие устройства с аксиально-тангенциальным подводом, а также непосредственный тангенциальный вдув в камеру сгорания. Интенсивность закрутки обычно характеризуется безразмерным параметром 8, который представляет собой отношение потока момента
количества движения к потоку осевого импульса, умноженному на эквивалентный радиус сопла. Согласно экспериментальным данным закрутка влияет на крупномасштабную структуру потока и пропорционально своей интенсивности изменяет ширину струи, скорость эжекции, темп вырождения неравномерности (в химически инертных потоках), размер, форму и устойчивость факела и интенсивность процесса горения (в потоках с химическими реакциями). В сильнозакрученных потоках (где 8 > 0,6) имеются значительные осевые и радиальные градиенты давления, которые приводят к образованию ЦТВЗ, отсутствующей при меньших значениях параметра закрутки. Наличие этой зоны с интенсивной завихренностью способствует выполнению ряда требований, предъявляемых к камерам сгорания, а именно позволяет:
1. Уменьшить длину факела за счет повышения скорости эжекции воздуха из окружающей среды и увеличения интенсивности перемешивания вблизи среза сопла и границ рециркуляционной зоны.
2. Повысить устойчивость факела благодаря вовлечению горячих продуктов сгорания в рециркуляционную зону
3. Увеличить время жизни оборудования и уменьшить потребность в его ремонте, поскольку стабилизация осуществляется аэродинамическими средствами, и потому воздействие пламени на твердые поверхности (воздействие, приводящее к перегреву и образованию нагара) минимально.
Кроме ЦТВЗ, появляющейся при значениях параметра закрутки, превышающих некоторую критическую величину, в канале с внезапным расширением может возникать угловая рециркуляционная зона. О существовании этой зоны и о ее влиянии на характеристики пламени хорошо известно специалистам по горению, которые стараются использовать рециркуляцию горячих продуктов сгорания и плохообтекаемую форму зоны как средство повышения эффективности процесса горения. В сложных турбулентных реагирующих потоках взаимное влияние распыления топлива, закрутки, больших сдвиговых напряжений и рециркуляционных зон сильно осложняет исследование устойчивости пламени, его осредненных и пульсационных характеристик.
Как уже отмечалось, даже основные свойства течения количественно определены с недостаточной степенью точности; это относится, например, к угловой и приосевой рециркуляционным зонам, существование, форма и размер которых зависят в основном от следующих факторов:
1. Интенсивность закрутки; характеризуется параметром закрутки Б или углом установки лопаток завихрителя ср.
2. Способ создания закрутки - с помощью лопаточного завихрителя или закручивающего устройства с тангенциальным подводом, а в зависимости
от типа устройства реализуется вращение по закону свободного вихря, по закону вращения как целого или поток с равномерным распределением окружной скорости.
3. Наличие втулки (отношение ё/с^).
4. Степень диффузорности камеры сгорания (отношение Е)/с1).
5. Наличие на выходе вихревой горелки диффузорной надставки (из огнеупора) или камеры с внезапным расширением.
Форма надставки, угол наклона торцевой стенки камеры с внезапным расширением а.
6. Процесс горения.
7. Поджатие выходного сечения камеры сгорания.
8. Форма лопаток завихрителя - плоские или профилированные.
9. Форма лопаток завихрителя - радиальные или пространственные.
На практике наиболее распространены два типа топливосжигающих
устройств, в которых используется закрутка:
1) вихревая горелка (рис.4.1), из которой поток истекает в атмосферу, в топку или замкнутую полость. Горение происходит главным образом за сечением выхода вне горелки. Набор таких горелок можно использовать для поддержания огня в топке или в замкнутом объеме.
2) камера сгорания циклонного типа, в которой подвод воздуха осуществляется тангенциально, а выхлоп производится через отверстие в центре торцевой поверхности (рис. 4.2). Горение происходит главным образом внутри циклона, а его стенки часто служат теплообменником.
С точки зрения организации процесса горения одно из наиболее существенных и полезных явлений в закрученных струйных течениях — это образование приосевой рециркуляционной зоны при сверхкритических значениях параметра закрутки. Путем осреднения по большому интервалу времени границу рециркуляционной зоны и зон обратных токов можно определить довольно точно. Мгновенное же положение границ и точек торможения претерпевает значительные колебания в пространстве, поскольку обычно в таких потоках уровень турбулентных сдвиговых напряжений и интенсивности турбулентности очень высок. Линии тока в кольцевой закрученной свободной струе, определенные по измеренным распределениям осредненной по времени скорости. Рециркуляционная зона играет важную роль в стабилизации пламени, поскольку обеспечивает рециркуляцию горячих продуктов сгорания и сокращает размер области, в которой скорость потока сравнивается со скоростью распространения фронта пламени. Существенно укорачиваются длина факела и расстояние от горелки, на котором происходит стабилизация пламени.
Тушндеме
Автор жылуэнергетикалъщ аппараттарда жабу нэтижелерг, олардыц к^рылуы мен жаца к^рылгыларды дамытудагы экологиялыгы царастырылды.
Resume
The authors consider the effect of spin in designing and Авторы рассматривают эффект закрутки в конструировании и ecology in development of the new equipments.
