Структура рециркуляционной зоны

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 0,5), ПВЯ не является определяющим элементом течения, и эффективный максимум турбулентных пульсации в некоторых горелках уменьшаетсяо и по­зволяет использовать методы, основанные на измерении пуль­сации давления . Спектральный анализ пульсации дав­ления в вихревых горелках показывает, что осцилля­ции носят более случайный характер, чем в изотермическом потоке, а следовательно, при горении изменяется и природа процесса смешения. В изотермическом потоке доминируют пульсации скорости, имеющие довольно регулярный характера а при горении имеющие случайный, турбулентный характер только закруткой, но также и наличием диффузора с полууглом раскрытия 35°. Действительно, если выходная часть имеет цилиндрическую форму, то при такой интенсивности закрутки распад вихря только начинается и рециркуляционная зон только зарождается. Результаты показывают, в частности, что в реагирующих пото­ках в рециркуляционных областях течение существенно неизо­тропно. При горении интеграл от пульсации скорости, взятый по всему полю течения, значительно больше, чем в изотерми­ческом потоке, что в определенном смысле подтверждает гипо­тезу о генерации турбулентности при наличии пламени.

Как показывают эти исследования, характеристики потоков с горением и без горения значительно различаются, в особен­ности это касается распределения продольной скорости, формы. поперечного размера и протяженности зоны обратных токов. В отличие от результатов, полученных в работах, здесь при горении протяженность и поперечный размер зоны обратных токов значительно возрастали, зона обратных токов простиралась вниз по потоку по крайней мере на расстояние, равное двум диаметрам выходного сечения. Интенсивность пульсации продольной составляющей скорости везде, за исклю­чением области вблизи выходного сечения горелки, при горе­нии уменьшалась. Высокий уровень пульсации продольной ско­рости наблюдался вблизи границы рециркуляционной зоны. здесь же проявлялась существенная анизотропия пульсации. Вообще, существенная разница интенсивностей пульсации про­дольной и окружной скоростей в потоках с горением и без го­рения наблюдается в большей части поля течения.

Измерения показывают, что имеется силь­ная перемежаемость внутри и вокруг рециркуляционной зоны, что свидетельствует о ее нестационарном характере. Проведены также измерения в слое смешения стесненного турбулентного диффузионного факела. Распределения продольной и окружной осредненных по времени скоростей, среднеквадратичных значе­ний пульсации скорости, распределение плотности вероятности показывают, что осредненные и нестационарные характеристики поля течения существенно изменяются при вариации давления на выходе из камеры сгорания и закрутки воздуха на входе. Эти изменения заметно влияют на выбросы загрязняющих ве­ществ. Обнаружен существенный вклад крупномасштабных пульсации в суммарное среднеквадратичное значение турбу­лентных пульсации скорости. Влияние крупномасштабных пульсации приводит к отличию случайного процесса от гауссо­ва и к существенной анизотропии турбулентности в большей части начального участка. Отмеченное обстоятельство показы­вает, что модели турбулентности, основанные на гипотезе о локальном равновесии, неадекватно описывают физические процессы в потоке с горением

В настоящее время для потоков с горением, особенно для стесненных потоков, имеется значительное количество данных о зависимости величины потока массы, вовлеченной в рецирку-ляционное движение, от параметра закрутки.Рассмотрим вначале свободные те­чения за вихревой горелкой. Сравнивая результаты, получен­ные в условиях с горением и без него, можно заметить, что горение приводит к значительному уменьшению величины потока массы, вовлеченной в рециркуляционное дви­жение, особенно при соотношении расходов топлива и воздуха, близких к стехиометрическому, и при предварительном пере­мешивании компонент. Помимо этого рециркуляционная зона в потоке с горением короче и шире, чем в холод­ном потоке. Начало рас­пада вихря и зарождение рециркуляции происходят при

Сравнение границ зоны обратных токов при различных значениях параметра закрутки в потоке с горением предвари­тельно перемешанных компонент приведено на рис. 4.4. При увеличении параметра закрутки от 0,7 до 1,25 увеличиваются как ширина, так и длина зоны. То же самое должно наблю­даться и в изотермическом потоке, т. е. с ростом параметра закрутки длина зоны обратных токов должна увеличиваться. Следует заметить, что за лопаточным завихрителем без втулки: зоны обратных токов длинные и узкие, и потому та­кие завихрители обычно не применяются. За кольцевым лопа­точным завихрителем зона обратных токов при тех же пара­метрах закрутки значительно шире и короче. Для стабилиза­ции пламени весьма желательно, чтобы зона обратных токов была короткой и компактной, поскольку в длинной зоне рециркуляция холодных продуктов сгорания приводит к уменьшению полноты сгорания и сужению пределов срыва пламени. На характеристики течения за вихревой горелкой, так же как на характеристики изотермического течения, влияет степень стеснения потока, причем определяющими здесь являются такие параметры, как отношение диаметра горелки к диаметру топки, коэффициент избытка воздуха и выходной диаметр топки. При достаточно высоких интенсивностях закрутки в потоке с горением, так же как и изотермическом потоке, образуется пристенная веерная струя, периферийная рециркуляционная зона исчезает и пламя прилипает к лицевой стенке камеры. Этот эффект должен иметь место при параметрах закрутки

S > 1.5, в то время как при S=1.25 еще существует периферийная рециркуляционная зона.

В топках с вихревой горелкой можно сжигать газовые отходы обладающие очень низкой теплотой сгорания: для этого необходимо топку облицевать огнеупорным материалом и хорошо теплоизолировать.

9.ПРЕДЕЛЫ СРЫВА И УСТОЙЧИВОСТЬ ПЛАМЕНИ

В промышленных горелках, работающих на различных газообразных и жидких топливах, типичное значение параметра закрутки лежит в диапазоне 0.8 0,5: полуугол раскрытия диффузора от 20° до 35°;

S < 0,5: полуугол раскрытия диффузора от 20° до 25°;

длина надставки (для получения факела типа II) L_дифф = 0,5D_е.

Диффузор на выходе существенно увеличивает размеры приосевой рециркуляционной зоны при всех интенсивностях за­крутки.

5. Для получения факела типа I в горелке с диффузорной надставкой с полууглом раскрытия от 20° до 35° в целях обеспечения хорошей устойчивости пламени необходимо пода­вать газообразное топливо со скоростью, примерно втрое пре­вышающей скорость воздуха. Тепловая нагрузка может быть значительно увеличена за счет удлинения диффузорной над­ставки до длины L_дифф = 1,5D_e. Следует придерживаться ре­комендации 3, но для получения факела типа I лучше не ис­пользовать лопаточные завихрители, поскольку в этом случае газовая струя горящего топлива не сможет пробить рециркуляционную зону.

6. Следует проявлять осторожность при использовании вих­ревых горелок с диффузорной надставкой в топках с большим стеснением факела или в ситуациях, когда горелки располо­жены близко друг к другу. Экспериментальные данные позво­ляют предположить, что приосевая рециркуляционная зона пропадает при A_f / A_b → 4 (S ≈ 1). Таким образом, в указан­ных ситуациях предпочтительнее горелки с цилиндрической вы­годной частью, за которыми образуются рециркуляционные зоны с интенсивным движением в них.

7. Горелки с тангенциальным подводом не годятся для сжигания предварительно перемешанных газообразного топли­ва и воздуха, поскольку в них пламя может легко распростра­няться вверх по потоку от мест подвода (исключения состав­ляют газообразные топлива с низкой теплотой сгорания - ме­нее 3 ... 4 МДж/м³). Предварительно перемешанные газооб­разное топливо и воздух можно сжигать в горелках с лопа­точными завихрителями.

Влияние вида топлива (уголь, нефть, синтетическое топли­во) на характеристики вихревой горелки опять-таки трудно параметризовать, но можно указать следующую основную за­кономерность: длина факела возрастает при последовательном переходе от газообразных топлив к легким жидким топливам (бензин), от них к тяжелым жидким топливам (мазут, некото­рые синтетические топлива) и, наконец, к распыленному углю. Такая последовательность отражает уменьшение испаряемости топлива. При сжигании распыленного угля обычно необходимо использовать в качестве носителя около 20 % подаваемого воз­духа. При сжигании мазута необходимо для стабилизации пламени добавлять к форсунке дисковый стабилизатор.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Парогенераторы промышленных предприятий.

Л. Н. Сидельковский, В. Н. Юренев.

Теория горения и топочные устройстваю

Д. М. Хазмалян, Я. А. Каган.

Закрученные потоки.

А. Гупта, Д. Лилли, Н. Сайред.