WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     |
|

На правах рукописи

Руди Юрий Анатольевич МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГОРЕНИЯ ВНУТРЕННИХ ЗАКРУЧЕННЫХ ПОТОКОВ И ФОРМИРОВАНИЯ ОГНЕННЫХ СМЕРЧЕЙ 01.02.05 – Механика жидкости, газа и плазмы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Томск – 2009

Работа выполнена на кафедре физической и вычислительной механики Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Томский государственный университет»

Научный консультант: доктор физико-математических наук Матвиенко Олег Викторович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Архипов Владимир Афанасьевич доктор физико-математических наук, профессор Гусаченко Лев Константинович

Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения РАН (г. Новосибирск)

Защита состоится 29.12.2009 г. в 14 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.267.13 при Томском государственном университете по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 36.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Томского государственного университета по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 34а.

Автореферат разослан 27.11.2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.н. Ю.Ф. Христенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Вихревые горелочные устройства широко используются в современной технике. В камерах сгорания и промышленных горелках закрутка потока создается для стабилизации пламени и увеличения скорости смешения компонент топлива. При массовых лесных [1] и городских [2] пожарах возможно возникновение огненных смерчей, разрушительное действие которых может быть катастрофическим.

Разработке практических рекомендаций по оптимизации работы горелочных устройств и предсказанию условий возникновения и существования огненных смерчей должно предшествовать обстоятельное теоретическое исследование структуры течения, тепломассообмена, химического реагирования и горения в закрученных потоках. Поэтому неслучайно, что изучению закрученных потоков уделяется значительное внимание большого числа исследователей. Вопросам приближенного расчета закрученных турбулентных течений посвящены работы М.А. Гольдштика [3], Б.П. Устименко [4], и Г.Н. Абрамовича [5]. Большой цикл экспериментальных исследований структуры течения и теплообмена в потоках с закруткой выполнен Тереховым В. И. [6] В.К. Щукиным и А.А. Халатовым [7].

Прогресс в моделировании реагирующих систем и горения связан с работами Я.Б. Зельдовича [8], Д.Б. Сполдинга [9], Л.К. Гусаченко [10]. В исследованиях В.А. Архипова [11], А.М. Гришина [12] с соавторами рассматриваются вопросы моделирования химического реагирования и структуры течения в многокомпонентных реагирующих потоках.

В многочисленных работах Д. Лилли с соавторами приводятся данные по исследованию течения и горения в потоках с закруткой. В наиболее концентрированном виде они нашли отражние в монографии “Закрученные потоки” [13]. В этой монографии приведены результаты экспериментальных исследований течений с закруткой, большое внимание также уделяется вопросам организации процесса горения в различных горелочных устройствах.

Исследованиями атмосферных смерчей типа торнадо занимаются давно, как в нашей стране, так и за рубежом [14]. В последнее время опубликован цикл статей группы авторов под руководством А.М. Гришина [15-18], посвященных физическому моделированию не только тепловых, но и огненных смерчей.

Однако, несмотря на значительный объем исследований закрученных потоков, имеющиеся в настоящее время данные о совместном влиянии закрутки, турбулентности, тепломассообмена и химического реагирования на структуру течения в технологических устройствах и огненных смерчах весьма разноречивы.

Кроме закрутки имеется еще ряд факторов, которые осложняют рассмотрение течения: турбулентность, тепломассообмен, химическое реагирование и горение.

Поэтому комплексное рассмотрение влияния гидродинамических, тепловых и химических факторов на процессы переноса и горения в турбулентных закрученных потоках представляет достаточно сложную и, в связи с практическими потребностями, актуальную задачу.

Целью настоящей работы является:

исследование механизма воспламенения и определение условий срыва пламени в потоках закруткой;

исследование режимов горения закрученного потока в канале для различных геометрических и режимных параметров;

исследование структуры течения и теплообмена в тепловом смерче;

исследование горения газа в свободной закрученной струе и условий существования огненного смерча;

выяснение влияния локальной завихренности окружающей среды на структуру течения и горение в огненном смерче.

Научная новизна. В результате проведённых исследований впервые исследованы условия срыва пламени в потоках с умеренной закруткой потока; предложена методика определения условий устойчивого горения;

впервые проведен учет влияния турбулентных пульсаций температуры и концентрации реагента на скорость химического реагирования и горения в закрученном потоке;

впервые на основе осредненных уравнений Рейнольдса и переноса энергии исследовано формирование теплового смерча; предложена формула для определения высоты теплового смерча;

впервые проведено исследование влияния локальной завихренности окружающей среды на структуру течения и горение в огненном смерче.

Научная и практическая ценность. Результаты работы могут применяться для качественного и количественного анализа процессов в горелочных устройствах, тепловых и огненных смерчах. В ходе выполнения работы созданы компьютерные программы для расчёта аэродинамики и горения в вихревых горелочных устройствах;

предложена методика определения условий устойчивого горения в потоках с умеренной закруткой потока;

исследованы режимы горения закрученного потока в канале для различных геометрических и режимных параметров;

проведено исследование структуры теплового смерча;

изучено влияние внешней завихренности на формирование огненного смерча.

Достоверность полученных результатов подтверждается результатами тестирования численной процедуры на известных точных решениях, сравнением с известными результатами других авторов, как численными, так и экспериментальными.

Положения, выносимые на защиту:

1. Модель, учитывающая влияние турбулентных пульсаций на процесс химического реагирования, находится в наилучшем количественном и качественном соответствии с данными эксперимента.

2. В зависимости от интенсивности закрутки и теплоэнергетических параметров воспламенение потока может осуществляться за счет: самовоспламенения потока вследствие протекания в нем химической реакции; зажигания потока продуктами сгорания из рециркуляционной зоны.

3. Формирование тепловых и огненных смерчей можно объяснить возникновением локального равновесия в свободно-вынужденном вихре и анизотропией турбулентности.

4. Наличие локальной циркуляции окружающей среды приводит по сравнению со случаем невозмущенной атмосферы к вытягиванию факела в осевом направлении и сужению в радиальном.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на следующих конференциях, научных конгрессах, школахсеминарах: «Лесные и степные пожары: возникновение, распространение и экологические последствия», 5-11 сентября 2005 г., Иркутск; Международная конференция «Пятые Окуневские чтения», 26-30 июня 2006 г., Санкт-Петербург;

«Сопряженные задачи механики реагирующих сред, информатики и экологии», 25-28 июня 2007 г., Томск; VI «Минский международный форум по тепло- и массообмену», 19-23 мая 2008 г., Минск; «Математическое моделирование опасных природных явлений и катастроф», 30 июня – 4 июля 2008 г., Томск;

«Всероссийская конференция по математике и механике, посвященная 130-летию Томского государственного университета и 60-летию механико-математического факультета», 22–25 сентября 2008 г., Томск; «Сопряженные задачи механики реагирующих сред, информатики и экологии», 18-20 февраля 2009 г. Томск;

семинары механико-математического факультета Томского Государственного Университета и Университета Корсики (Франция).

Публикации. Материалы диссертационного исследования изложены в публикациях. Работа была поддержана грантом РФФИ № 08-01-00496-а.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 3 глав, выводов, списка литературы из 117 наименований. Работа содержит страницы, 42 рисунка, 6 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность и практическая значимость работы, дана общая характеристика решаемой задачи, сформулирована цель исследования.

В первой главе представлен обзор литературы, посвященной исследованию закрученных потоков, моделированию турбулентности, процессов теплообмена и горения.

Во второй главе рассмотрены особенности горения в турбулентных внутренних закрученных потоках.

В первом параграфе второй главы сформулирована математическая модель.

Система уравнений для определения локальных характеристик потока, записанная относительно осредненных по времени переменных имеет вид:

u 1 vr 0, (1) x r r u2 1 uvr p u 2 u 1 vr eff x r r x x x 3 x r r (2) 1 u v eff r, r r r x uv 1 vrr p v u eff x x r r r x r (3) w 1 v 2 u 1 vr v eff, eff r2 x r r r 3 r r r r uw 1 vwr w 1 w vw r3. (4) eff x r r x x r r r r r2 eff Характеристики турбулентности рассчитывались на основе двупараметрической модели с использованием балансных уравнений для кинетической энергии турбулентности k и скорости ее диссипации :

uk 1 vkr eff k 1 eff k r G, (5) x r r x k x r r k r u 1 vr eff 1 eff C1G C2k, (6) x r r x x r r r eff 0 T, T Ck 1, 2 2 2 2 2 u v v u v w w Gk t 2 r.

r x x r r x r r Для описания процесса горения использовались уравнения теплопроводности и диффузии реагентов с учетом протекания в потоке химической реакции.

uT 1 vrT T 1 T r cp Qfl, (7) eff eff x r r x x r r r uMfl 1 vrMfl Mfl 1 Mfl Wfl s fl, (8) Deff x Deff r x r r x r r r Wox uMox 1 vrMox Mox 1 Mox D D r ox, (9) eff eff x r r x x r r r uMin 1 vrMin Min 1 Min D D r, (10) eff eff x r r x x r r r p Mfl Mox Mpr Min, (11) RT Wfl Wox Wpr Win Для замыкания системы уравнений (1) – (11) формулируются необходимые граничные условия.

Во втором параграфе проводится анализ условий стабилизации пламени в канале при умеренной закрутке потока и малых числах Рейнольдса.

Исследование горения в потоках с закруткой показывает, что пламя, распространяющееся в потоке, не только влияет на аэродинамическую структуру течения, но также может изменять свою структуру в аэродинамически неоднородном поле скоростей. Влияние течения с градиентами скоростей на структуру пламени сводится к появлению дополнительного тепло - массоотвода вдоль фронта. В результате пламя растягивается в продольном направлении, зона прогрева сужается, а тепловые и диффузионные потоки возрастают. В случае отсутствия закрутки потока, а также для малых 40 горение осуществляется в индукционном режиме, при этом длина предпламенной зоны x* слабо изменяется с закруткой. Формирование удерживающей зоны в окрестности оси при 50 53 приводит к искривлению пламени и резкому смещению зоны горения к входному сечению. Заметим, что этот режим реализуется в узком диапазоне изменения. При 53 искривление пламени превышает максимально допустимую величину, обеспечивающую стабилизацию горения, происходит срыв пламени и горение вновь происходит в режиме отрыва. С формированием зоны возвратных течений при 55 длина предпламенной зоны вновь уменьшается. И при достаточно сильной закрутке ( 60 ) рециркуляция становится столь значительной, что рециркулирующая в зоне возвратных течений горючая смесь успевает не только разогреться до температуры горения, но и воспламенить поступающую в канал непрореагировавшую холодную смесь. Пламя вновь резко смещается к входу в канал и стабилизируется в окрестности передней кромки рециркуляционной зоны, где скорость течения становится равной по абсолютной величине нормальной скорости распространения пламени. Заметим также, что при размеры рециркуляционной зоны становятся достаточно велики, чтобы обеспечить единственный устойчивый режим горения с малой длиной предпламенной зоны.

Проведенный теоретический анализ приводит к следующему результату:

срыв пламени происходит при невыполнении условия:

t2 u / r* T* RgT*2 / E Tent 1, (12) u(x,r;) T* Tent Sn Q / cpk0Tent где t* - характерное время химической реакции.

T (RgT*2 / E) Tent * В третьем параграфе анализируется влияние модели турбулентности на положение зоны горения в закрученном потоке.

Выполнен расчет и проведено сравнение результатов, полученных с использованием модели объемного горения (модель 1):

E k02MoxMflexp ; (13) RT модели, учитывающей влияние турбулентных пульсаций на процесс химического реагирования (модель 2):

1 2 ; (14) Mfl,T T T c c 2 c T 2 2 MflT Mfl T модели горения, регулируемого турбулентным перемешиванием (модель 3) E k c exp, Da RT. (15) CE c Da c, k Сравнение результатов расчетов показывает (рисунок 1), что в отсутствие закрутки потока, а также в случае слабой закрутки 20, влияние учета пульсаций на положение фронта пламени мало. Однако уже при умеренной закрутке ( 20 55) рост турбулентных напряжений в ядре потока и связанное с ним увеличение значений турбулентной кинетической энергии k приводят к интенсивному увеличению здесь пульсаций.

Pages:     |
|



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.