Вихревые горелкиМатериалы / Вихревые горелкиСтраница 9
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 <$ 0,6), аналогичные распределениям в струях с сильной закруткой, показанным на рис. 4.9, получены в работе. Там же определено сечение, расположенное на расстоянии примерно в 3 . 4 диаметра от среза сопла, начиная с которого максимальные значения интенсивностей турбулентных пульсации в закрученной струе становятся меньше, чем в незакрученной. Более интенсивное расширение струи приводит и к более интенсивной диссипации.
Форма и размер рециркуляционной зоны и соответствующей области с повышенным уровнем турбулентности оказывают решающее влияние на устойчивость факела, интенсивность процесса горения и другие характеристики пламени. К настоящему времени получено достаточно много данных, позволяющих провести сопоставление характеристик различных закручивающих устройств и определить влияние на изотермический поток различных модификаций их геометрии, таких, как установка на выходе из закручивающего устройства конических диффузоров, трубок или форсунок для впрыска топлива, топочных камер. Наряду с картиной линий тока, представленной па рис. 4.7, на рис. 4.10 и 4.11а и 4.116 приведены три аналогичные картины. Можно видеть, что область рециркуляционного течения всегда существует вблизи выхода из сопла.
Закручивающие устройства с цилиндрической выходной частью: 1 — кольцевой лопаточный завихритель, ф=45° [10]; 2-ф==60° ; 3-ф=70° ; 4-ф=75° ;
5 — закручивающее устройство с аксиально-тангенциальным подводом ;
6 — закручивающее устройство с тангенциальным подводом .
Закручивающие устройства с диффузором на выходе: 7 — полуугол раскрытия диффузора .
Тип закручивающего устройства (за исключением лопаточного завихрителя без втулки) и наличие соосных трубок для подвода топлива или форсунок, по-видимому, не влияют на характер связи. Для устройств с цилиндрической выходной частью представленные данные можно описать зависимостью
S=0.508+5.66Mr-6.24Мr2+2.28Мr3
где Mr поток массы газа, вовлеченного в рециркуляционное движение.
7. Вихревые горелки, прецессирующее вихревое ядро в потоке с горением
1. Факел типа а—предварительно перемешанные топливо и воздух; 1,4 < а < 6,0.
Для этого случая характерен очень короткий факел с большой интенсивностью процесса горения, который реализуется и при тангенциальном подводе. Пламя генерирует сильный шум, течение нестационарное; как и в изотермическом потоке, образуется ПВЯ, которое порождает очень большие пульсации скорости и давления.
2. Факел типа б - подвод топлива у основания горелки; 0,8 < ее < 40.
Этот тип факела со значительно меньшей интенсивностью процесса горения менее возмущен, чем факел типа а, так как возмущения в виде ПВЯ сильно подавлены как по амплитуде, так и по частоте . Внутри горелки всегда существует прослойка воздуха вокруг пламени, и горение на стенке не происходит. Длина и форма факела сильно меняются при изменении коэффициента избытка воздуха а; так, при a = f пламя проникает внутрь горелки на расстояние почти в три диаметра. Этот тип факела наиболее характерен для промышленных вихревых горелок.
Пределы срыва пламени, особенно при низких числах Рейнольдса, довольно широкие. По- видимому ПВЯ вызывает появление локальных зон в области горения, в которых реализуется благоприятное соотношение горючего и воздуха даже при большом избытке воздуха в общем потоке. Обнаруживается некоторое изменение интенсивности пульсаций при изменении коэффициента избытка воздуха, но основное воздействие обусловлено изменением числа Рейнольдса.