Осевой способ закручивания пылегазового потока

Закрученные потоки — Формирование закрученных течений

Содержание материала

Закрутка потоков создается тремя основными методами:

1. использованием тангенциального подвода (генератор закрутки с осевым и тангенциальным подводом);
2. применением направляющих лопаток (закручивающее устройство);
3. непосредственным вращением (вращающаяся труба).

На рис. 1.4 показано закручивающее устройство (с осевым и
тангенциальным подводом), широко используемое для создания однородных устойчивых струй для подробных экспериментальных исследований [16]. 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. 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 φ относительно направления основного потока. Эти лопатки отклоняют поток и придают ему вращательное движение [18). 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 [19] обусловливает сложную картину течения и приводит к нарушению осевой симметрии. Закрутка может быть также создана непосредственным вращением потока. Так, в одном из экспериментов [20| использовался цилиндр, вращающийся с частотой 9500 об/мии 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 [21], 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 Ω. В вязкой жидкости вращающиеся течения (т. е. вихри) всегда содержат центральное ядро с вращением жидкости как целого (или вынужденный вихрь). Вне нейтральной области могут преобладать условия свободного (или потенциального) вихря, что наблюдается при образовании в атмосфере смерчей, пылевых бурь, торнадо, ураганов и циклонов [22]. 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 ]23] или над газовым факелом [3], когда пламя располагается по центральной вертикальной оси цилиндра.

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 r и выражениями для свободного вихря при больших r.

Таблица 1.1. Общие характеристики вихрей

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.

Рис. 1.5. Коэффициент потока кинетической энергии v в кольцевом закрученном течении [3] а случае уравнения вихря w = const rп.

Его значение зависит от типа созданного вихря, внешнего и внутреннего диаметров трубы и от распределений окружной и осевой скоростей, которые могут не соответствовать вращению газа как целого. Значения v для различных типов вихрей с ω = Сr приведены на рис. 1.5. Можно видеть, что для любого заданного значения параметра закрутки вихрь при движении газа как целого (n=1) представляет собой случай минимума кинетической энергии, а свободный вихрь (п = —1) дает максимум кинетической энергии. Вихрь с постоянной окружной скоростью (n = 0) представляет собой промежуточный случай между вихрем с распределением скорости, соответствующим движению газа как целого, и свободным вихрем, и в случае, когда момент количества движения в значительной степени сконцентрирован во внешней части потока (n = 3), получаются значения v, лишь незначительно превышающие значения, соответствующие движению газа как целого.

Рис. 1.6. Эффективность закрутки ε в зависимости от параметра закрутки S дли различных закручивающих устройств
[31:
1 — закручивающее устройство с адаптивным блоком (R = 80 мм); 2 — закручивающее устройство с осевым и тангенциальным подводом; 3 — закручивающее устройство с направляющими лопатками (R= 62 мм).
Эффективность закрутки е при заданной интенсивности закрутки представляет собой отношение кинетической энергии закрученного потока, протекающего через горло горелки, к падению статического давления между входным сечением и горлом [3]. На рис. 1.6 представлены экспериментальные значения ε для различных значений параметра закрутки S 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 S=1 его эффективность
ε=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 (ε = 58 % при S = 0,4), но его эффективность остается неизменной и может даже повышаться при более высокой интенсивности закрутки.

1. Закручивающий аппарат с радиальной подачей потока имеет относительно высокую эффективность (ε = 75 % при S=1)
2. Закручивающий аппарат с осевой подачей имеет относительно низкую эффективность (ε = 30 % при S = 1), ( 19)

Эффективность закрутки ε представляет собой меру создания конкретной интенсивности закрутки S; это вовсе не мера эффективности создания определенного типа ноля 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. Этот вопрос будет обсужден далее в разд. 1.3 и в гл. 4 По этой причине мы обычно используем параметр закрутки, когда говорим о потоке, создаваемом закручивающим устройством с осевой и тангенциальной подачей, и используем угол установки лопаток φ, когда рассматриваем потоки, закручиваемые лопаточным закручивающим аппаратом с осевой подачей. Эти два устройства наиболее часто встречаются на практике, и даже при одинаковой интенсивности закрутки они создают неэквивалентные поля течения вниз по потоку.

Источник

Закрученные потоки — Основные эффекты закрутки

Содержание материала

Влияние начальной закрутки потока на поле течения резко возрастает при увеличении степени закрутки (выраженной параметром закрутки S или углом установки лопаток φ). Эти эффекты обсуждаются подробно в гл. 3 и 4, однако целесообразно представить здесь некоторые аспекты недавних исследований и их приложений. Основное внимание сосредоточено на влиянии закрутки на характеристики, устойчивость пламени интенсивность горения в камерах сгорания. Проводимые исследования направлены на последовательное описание этих явлений, с тем чтобы использовать их при разработке конструкций. Рассмотренные вопросы и приведенные ссылки включают следующие темы:

1. Закрученные потоки и рециркуляционные зоны [1—26).
2. Закрученные пламена [18,27—29], взаимодействие многоструйных газовых пламен [30], данные о времени пребывания [31, 32] и подробные измерения уровня турбулентности [33, 34].
3. Образование загрязняющих веществ [35—49] и вихревые модули [36—42].
4. Центробежные эффекты, влияние сил плавучести на турбулентную скорость горения и вихревые усилители [50—55|.
5. Вращающиеся поля течения |56—58].
6. Вихревые эффекты, подобие рециркуляционных зон и эффектов разрушения вихрей [59, 60], прецессирующее вихревое ядро (ПВЯ) и сход радиально-осевых вихрей [61—63].
7. Многокольцевые вихревые горелки [64].
8. Пламена жидкого горючего [65—75].

Влияние слабой закрутки (S 0,6), приводящей к возникновению значительных поперечных и продольных градиентов давления, образованию более широкой струи с меньшей скоростью, чем в случае незакрученной струи, и приосевой тороидальной зоны обратных токов.

Рис. 1.9. Линии тока в закрученной кольцевой свободной струе. S= 1,57 [17]
Функции

Для прикладных задач с горением одним из наиболее существенных и полезных явлении в закрученных струйных течениях можно считать существование рециркуляционной зоны, образующейся в центральной части при сверхкритических значениях параметра закрутки (S ≈ 0,6 для закручивающих устройств с прямым выходом). При осреднения по большому про- межутку времени границы рециркуляционной зоны с обратными токами оказываются четко определенными. В таких течениях обычно наблюдаются большие значения сдвиговых напряжений и интенсивности турбулентности, так что возникают мгновенные крупномасштабные пространственные пульсации границ и критических точек. Рассчитанные по результатам измерений осредненных по времени распределений скорости линии тока для закрученной кольцевой свободной струи (распространяющейся из закручивающего устройства) со значением параметра закрутки S= 1,57 показаны на рис. 1.9 [17]. Рециркуляционная зона играет важную роль в стабилизации пламени, создавая поток горячих рециркулирующих продуктов сгорания и область пониженных скоростей, где скорость распространения пламени и скорость потока могут быть сделаны близкими друг другу. При этом длина пламени и расстояние от горелки, на котором происходит стабилизация пламени, значительно сокращаются.
Кроме того, в сложных турбулентных реагирующих течениях, встречающихся в камерах сгорания прямоточных двигателей, приходится учитывать такие явления, как распыление

топлива, закрутка и рециркуляция, что усложняет описание устойчивости пламени, характеристик горения и пульсаций горения Даже грубые черты течения известны неточно, чаете отсутствует количественная информация. Например, на существование, размеры и формы угловой рециркуляционной зоны и ЦТРЗ влияют следующие основные факторы:

1. Интенсивность закрутки — параметр закрутки S или угол установки лопаток φ.
2. Использование закручивающего лопаточного аппарата или закручивающего устройства с тангенциальной подачей — закрутка, как в свободном вихре, с постоянным значением окружной скорости или с профилем скорости, как в вынужденном вихре
3. Наличие или отсутствие центрального тела (отношение d/dh).
4. Степень расширения основной камеры (отношение D/d).
5. Профилированное (суживающееся) сопло или течение с внезапным расширением при угле боковой стенки α; геометрические характеристики обтекателя.
6. Течение с горением или изотермическое.
7. Последующее поджатие на выходе (или без него).
8. Использование плоских или аэродинамически спрофилированных закручивающих лопаток.
9. Постоянный по радиусу угол установки закручивающих лопаток (либо изменяющийся).

Имеющиеся данные о влиянии этих факторов весьма разноречивы, однако требуется понимание основных черт явления как базы для построения моделей таких систем, например при использовании модульного и гибридного подходов (разд. 1.4). Основным результатом проводимых в настоящее время исследований будет возможность более точного описания и расчета структуры, размера и формы угловых и центральных рециркуляционных зон в зависимости от угла наклона стенки, степени закрутки потока на входе, степени расширения и других параметров закручивающего устройства и камеры сгорания.
Другое направление исследований связано с пламенами жидких топлив [65—75]. Встречающиеся на практике нефтяные пламена относятся обычно к одному из следующих основных типов:

Рис. 1.10 Стабилизация нефтяного струйного пламени с помощью внутренней зоны обратных токов в закрученной кольцевой струе [65].

1. Первый тип представляет собой турбулентное диффузионное струйное пламя, в котором нефть распыляется сжатым воздухом или потоком (пневматическое распыление) и в котором количество движения топливной аэрозоли настолько велико, что его хватает для увлечения такого количества воздуха, которое необходимо для полного сгорания. Основные размеры пламени, такие, как его длина и угол расширения, могут быть рассчитаны на основе теории турбулентных струй при рассмотрении распылителя топлива как источника количества движения.
2. Второй тип — это пламена с высоконапорной струей, в которых количество движения распыленного топлива мало по сравнению с количеством движения воздушного потока. В этом случае характерные размеры пламени будут в большей степени зависеть от поля течения воздушного потока, чем от струи распыленного топлива.

Взаимодействие струи распыленного топлива (нефти) с рециркуляционной зоной кольцевой закрученной струи в горелке показано схематически на рис. 1.10 [65], где приведены линии тока воздушного потока, рассчитанные по результатам измерения поля средней скорости в изотермических условиях с наложенными результатами обработки фотографий нефтяного пламени, что позволяет получить полную картину течения. Чтобы достичь стабилизации пламени, следует найти в поле течения область, где скорость распространения пламени совпадает со скоростью потока в прямом направлении и где количество подводимого тепла достаточно для возникновения процесса горения. Внутри рециркуляционной зоны скорость потока в продольном направлении уменьшается до нуля на границе возвратного потока, и, таким образом, всегда найдется область течения, где местная скорость распространения пламени будет совпадать с местной скоростью потока в направлении вперед. Поскольку рециркуляционный вихрь обычно проходит через фронт пламени, рециркулирующие продукты сгорания переносятся по направлению к горелке и проходят через факел распыленного топлива, перенося мелкие капли к фронту пламени и формируя фронт пламени, как это показано на рис. 1.10. Размером и интенсивностью рециркуляционной зоны можно управлять, изменяя степень закрутки в системе подачи воздуха. Подбирая угол факела распыленного топлива так, чтобы он соответствовал размеру и интенсивности рециркуляционной зоны, можно получить оптимальные условия с точки зрения хорошей стабилизации пламени, высокой эффективности сгорания и минимального выделения загрязняющих веществ [66]. Проведенные в последнее время работы по исследованию закрученных пламен жидкого топлива обсуждаются в работах [61—75].

Рис 1.11. Модель горения аэрозоли в следе за диском-стабилизатором [66]. А — ядро более холодных капель, движущихся с малой скоростью.

Рис. 1 12. Модель горения двухжидкостной распыленной аэрозольной струи:
1 — зона ускорения капель; 2— ядро холодных частиц с высокими скоростями; 3 — первичная зона реакции.

На практике используются два основных способа распыления жидкого топлива, и экспериментальные исследования этого вопроса включают следующие постановки [66]:

1. Факел распыла в форме полого конуса. Жидкое топливо распыляется в форме конуса из топливной форсунки, и необходимый для горения воздух (также в общем случае закрученный) обтекает диск стабилизатора. Создаваемая таким образом рециркуляционная зона обеспечивает стабилизацию пламени, после прохождения полого конуса жидкость дробится на мелкие капли.
2. Внутреннее смешение двух компонент или пневматический распылитель (пневматическая форсунка). В этом случае высокоскоростной поток сжатого воздуха истекает из сопла в виде двухфазной турбулентной струи. Теперь поток воздуха с малой скоростью окружает пламя, но количество движения, необходимое для увлечения требуемого для сгорания воздуха,сосредоточено внутри струи.

Измерения и наблюдения приводят к построению физических моделей, приведенных на рис. 1.11 и 1.12. Капли попадают в пламя в виде аэрозоли высокой плотности с довольно высокой скоростью движения относительно окружающего потока воздуха. Предполагается [66], что наличие богатой смеси вокруг капель и гасящее влияние жидкости приводят к образованию низкотемпературного аэрозольного ядра, в котором не могут протекать сколько-нибудь существенные химические реакции. Реакция происходит во внешней части аэрозоли, где отношения концентраций воздуха и топлива и температура в большей степени способствуют горению. В этих экспериментах не получено каких-либо подтверждений классической модели сгорания капель с окружающими их индивидуальными пламенами [66]. Существуют значительные разногласия но вопросу о том, какое описание наиболее пригодно в реальных случаях. Внутри ядра аэрозоли фактическая скорость испарения отдельных капель в общем случае играет лишь малую роль, поскольку испарение происходит в настолько богатой среде, что она находится за пределами воспламеняемости.
Для стабилизации пламени необходимо выполнение трех главных требований.

1. Коэффициент избытка воздуха должен быть в пределах, соответствующих воспламеняемости.
2. Скорость потока должна быть достаточно малой, чтобы совпадать со скоростью распространения пламени.
3. К зонам, обозначенным на рис. 1.11 и 1.12, должен обеспечиваться подвод достаточного для поддержания химической реакции количества тепла.

И действительно, границы пламени наблюдаются за пределами границ аэрозоли.

Источник