Содержание к диссертации
Введение
1 . Состояние вопроса и постановка задач исследования 9
1.1. Закономерности газодинамики соударяющихся струй 10
1.2. Структурный подход к описанию турбулентности 23
1.3. Выводы и постановка задач исследования 31
2. Методика исследований и экспериментальная установка 33
2.1. Описание экспериментальной установки 33
2.2. Методика тепловизионного исследования соударяющихся струй 37
2.3.Экспериментальная установка для оценки локальной
теплонапряженности области взаимодействия факелов 39
2.4. Методики обработки экспериментальных данных 41
3. Газодинамика прямоточных соударяющихся струй ... 54
3.1. Режимы термомеханического взаимодействия низкотемпературных газовых струй 54
3.2. Методика определения границ области взаимодействия газовых струй... 64
3.3. Особенности термической структуры области соударения высокотемпературных струй 65
3.4. Применение вейвлет-преобразования и МАГК для идентификации структурных образований в высокотемпературных газовых струях 74
4. Характеристики теплового взаимодействия соударяющихся струй 85
4.1. Количественная оценка теплового взаимодействия при соударении низкотемпературных газовых струй 85
4.2. Обобщение данных по теплообмену при соударении низкотемпературных газовых струй
4.3. Локальная теплонапряженность области взаимодействия высокотемпературных струй 90
4.4. Термонапряженность потока 92
5. Вопросы практического применения результатов работы 98
5.1. Управление положением и характеристиками температурного поля области соударения струй в режиме реального времени 98
5.2. Определение наличия факела, его границ, положения в агрегате и обнаружение касания факелом технологической поверхности 103
5.3. Частотные методы воздействия на термическую структуру факела 108
Заключение 113
Список сокращений и условных обозначений 114
Список литературы
- Структурный подход к описанию турбулентности
- Методика тепловизионного исследования соударяющихся струй
- Особенности термической структуры области соударения высокотемпературных струй
- Обобщение данных по теплообмену при соударении низкотемпературных газовых струй
Введение к работе
Актуальность темы (проблемы). Газовые струйные течения, в частности соударяющиеся низкотемпературные струи и факелы, широко применяются в различных промышленных технологиях. Исследованию их главным образом газодинамических свойств посвящено большое количество теоретических и экспериментальных работ, базирующихся, как правило, на квазистационарном подходе к описанию явлений переноса.
При изучении соударяющихся струй большинство авторов уделяет основное внимание итоговому, результирующему течению, и лишь в отдельных работах рассматриваются вопросы формирования области соударения, хотя именно из нее проистекает результирующий поток. В литературе практически отсутствуют сведения о закономерностях теплообмена в области соударения, не раскрыт механизм теплопереноса при соударении струй.
Для решения задач изучения области ударного взаимодействия, а также для разработки способов количественной оценки характеристик теплообмена при смешении потоков необходимо применение иных, по сравнению с ранее использованными, методов исследования, позволяющих получать информацию о мгновенном поле значений характеристических величин.
Кроме того, применение в промышленности таких полевых методик открывает перспективу создания новых способов управления энергетическими агрегатами, использующими соударяющиеся газовые потоки, что позволит повысить точность и качество управления технологическим процессом.
Цель работы в теоретическом аспекте состояла в том, чтобы разработать полевую методику идентификации структур в области взаимодействия соударяющихся струй, создать способы количественной оценки теплообмена при соударении струй с разной температурой и способы расчета теплонапряженности зоны взаимодействия для равнонагретых высокотемпературных потоков.
В практическом плане ставилась задача разработать на основе данных о динамике теплопереноса новую концепцию автоматизированного управления технологическими процессами, в которых применяются соударяющиеся газовые струи и факелы.
Объекты исследований. В целях достижения общности методов исследования и последующих представлений были выбраны течения газов,
заведомо обладающие различными исходными свойствами: низко- и высокотемпературные соударяющиеся газовые струи.
Научная новизна основных положений работы заключается в том, что автором впервые:
разработан полевой метод определения границ и идентификации термической структуры области соударения газовых потоков;
обнаружены режимы термомеханического взаимодействия потоков, значительно отличающиеся от существующих представлений;
выявлено, что режим термомеханического взаимодействия потоков определяющим образом зависит от безразмерной разности температур соударяющихся течений;
разработан метод количественной оценки теплопереноса при встречном взаимодействии потоков с разной температурой;
найдена зависимость изменения характеристик теплообмена соударяющихся струй от различных факторов;
разработана методика анализа локальной теплонапряженности в зоне столкновения факелов;
предложен способ быстродействующего фазочастотного анализа соударяющихся факелов, позволяющий уточнить сведения о структуре потока;
разработаны методики комплексного вейвлет-анализа, непрерывного и дискретного вейвлет-анализа и метод анализа главных компонент для идентификации структурных образований в свободных и соударяющихся факелах;
установлено, что в газовых факелах существуют структурные области, в которых температура при одинаковой частоте пульсирует в разных фазах;
создана промышленная методика, позволяющая установить границы факела на фоне технологической поверхности и распознать возникающие в нем структурные образования;
предложены практические методики регистрации наличия в рабочем пространстве газовых струй и определения координат области их взаимодействия;
разработан способ управления местоположением области взаимодействия газовых струй.
Достоверность результатов основывается на надежности
экспериментальных данных, полученных сочетанием независимых методик исследования и подтвержденных воспроизводимостью результатов измерений, их хорошим согласованием на уровне тестовых опытов с данными других авторов, а также применением комплекса современных методов исследования, подбором измерительной аппаратуры, ее систематической поверкой и тарировкой.
Практическая значимость заключается:
в определении характеристик теплообмена при соударении прямоточных газовых струй и обобщение их в виде критериального уравнения, что может быть применено в инженерных расчетах;
в разработке методики тепловизионного определения области взаимодействия струй в промышленных условиях, реализация которой (полезная модель) защищена патентом РФ;
в создании алгоритма и принципиальной схемы автоматизированного управления положением области взаимодействия факелов в рабочем пространстве энергетических агрегатов на основе тепловизионного сканирования топочного пространства;
в создании методики, позволяющей определять локальную теплонапряженность при взаимодействии факелов и тем самым оценить интенсивность процессов в зоне соударения.
Автор защищает:
методику идентификации термической структуры течения в области взаимодействия соударяющихся прямоточных газовых потоков и полученные с ее помощью сведения о структурных образованиях в этой зоне;
методику количественной оценки теплопереноса при взаимопроникновении встречных газовых течений и экспериментальные данные по теплообмену соударяющихся прямоточных газовых струй в зависимости от параметров струйной системы;
методику идентификации структурных образований в отдельном факеле и системах факелов;
способ определения координат расположения области взаимодействия факелов в топочном пространстве энергетического агрегата.
Личный вклад автора состоит в том, что им на основе анализа литературных источников поставлены задачи исследования, разработаны основные методики, спроектированы и отлажены экспериментальные установки, проведены опыты, обработаны и проанализированы полученные экспериментальные данные, а также предложены пути практической реализации полученных сведений в промышленности.
Автором разработана методика оценки теплового взаимодействия и теплонапряженности области соударения газовых потоков, а также методики Фурье-анализа и вейвлет-анализа последовательностей термограмм с целью выявления турбулентных структур в потоке.
Апробация работы. Основные результаты исследований, изложенные в диссертации, докладывались и были представлены на: XVIII всероссийской научно-практической конференции «Энергетика: эффективность, надежность, безопасность» (Томск, 2012); на VIII международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Энергия - 2013» (Иваново, 2013); на семинарах в Институте теплофизики УрО РАН (Екатеринбург, 2013).
По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ и получен патент РФ на полезную модель, в т.ч. 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК, и 2 статьи в международных рецензируемых журналах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, содержащего 121 наименование, и приложений. Диссертация изложена на 129 страницах и снабжена 75 рисунками.
Структурный подход к описанию турбулентности
В современной промышленности нашли широкое применение для различных технологических процессов низкотемпературные и высокотемпературные соударяющиеся прямоточные газовые струи. С их помощью осуществляются процессы охлаждения и нагревания технологических объемов, а также интенсификация процессов перемешивания. От того, насколько эффективно проистекают процессы тепло- и массопереноса в этих потоках, зависят и показатели эффектиности работы агрегата в целом.
Способ применения заключается в том, что струи направляют таким образом, чтобы происходило пересечение осей струй или их совпадение (угол встречи равен 180). В результате происходит концентрация энергии в зоне взаимодействия потоков, усиливаются процессы переноса.
На сегодняшний день опубликовано большое количество работ [1 - 9], в которых рассматриваются газодинамические аспекты свободных незатопленных, затопленных и соударяющихся струй. Однако в литературе практически отсутствует сведения о закономерностях теплообмена, не раскрыт механизм теплопереноса при соударении струй. И только в отдельных работах [9, 10] приводятся экспериментальные или статистические данные по результатам исследований. На основании анализа литературных источников можно утверждать, что вопросы газодинамики и особенно теплообмена соударяющихся струй недостаточно изучены.
Приступая к рассмотрению имеющихся данных, прежде всего, определимся с терминологией, которая будет использована в данной работе. Под низкотемпературными будем понимать газовые потоки с температурой t от температуры при нормальных условиях до 300 С: они используются в таких отраслях промышленности, как машиностроение, химическая промышленность, системы вентиляции и кондиционирования. Например, применение соударяющихся воздушных струй в системах вентиляции приводит к интенсификации турбулентного переноса, что повышает эффективность подобных систем. К высокотемпературным газовым потокам (/ 1200 С) относятся факелы: они также широко применяются в энергетике, металлургии и горно-перерабатывающей промышленности. Особый практический интерес представляет турбулизация потока в результате соударения струй, так как именно при турбулентных режимах процессы переноса происходят наиболее интенсивно [1-3].
Следует отметить, что принцип соударения струй позволяет не только интенсифицировать смешение, но и управлять положением результирующего потока, изменяя соотношение расходов по соплам [5].
Как уже отмечалось ранее, соударение струй является эффективным способом интенсификации различных процессов, и в том числе процессов тепломассопереноса, поэтому широко применяется в промышленных технологиях. При этом термомеханика соударения струй изучена недостаточно, и вряд ли может быть описана полностью известными методами. Причиной этому является сложность динамического механизма формирования результирующего течения, характеризуемого быстрым изменение вектора локальной скорости и высокой нестационарностью поля температур, концентраций и давлений.
Существует два основных подхода к изучению процессов происходящих при соударении струй. Первым является экспериментальный метод, который широко применялся в XX веке при исследовании подобных процессов. Вторым теоретическим методом является метод моделирования на основе аналитических решений или приближенного численного решения систем уравнений, описывающих процесс соударения. Очевидно, что исследование процессов соударения струй выполнялось изначально с целью оптимизации режимов работы установок для различных промышленных отраслей.
Одними из первых российских исследований соударяющихся струй являются работы В.И. Миткалинного [8, 11], которые относятся к области металлургических печей и процессов горения.
В [8] проведено исследование деформации течения, возникающей при соударении газовых струй, вытекающих из насадок круглого и прямоугольного сечения, одинакового и разного размера. Целью этого исследования являлось определение влияния на деформацию потока угла встречи, формы сечения, размеров сопла и расстояния между ними (рисунок 1.1).
В результате было сделано заключение о том, что: - при соударении двух струй образуется одна слившаяся результирующая струя; - поперечное сечение слившейся струи вначале имеет сплющенную эллипсообразную форму, которая затем постепенно переходит в круглую; - сплющивание результирующей струи увеличивается с ростом угла соударения; - на протяжении определённого участка, начинающегося от начальных сечений соударяющихся струй, результирующая струя не имеет прямолинейной границы, характерной для свободной осесимметричной струи.
В результирующей струе были выделены три участка: начальный, переходный и основной. Начальный участок, длина которого зависит от расстояния между насадками и угла встречи струй, начинается от среза насадок и кончается в месте соприкосновения струй. Переходный участок существует от места соприкосновения встречных струй до характерного расстояния, где значение относительной главной деформации р = 1. Основной участок представляет собой свободную результирующую струю.
Методика тепловизионного исследования соударяющихся струй
Первый класс можно охарактеризовать как переходный, и он типичен для диапазона чисел Re, примыкающего к критическому значению. Эти структуры появляются в результате сложных бифуркаций: возникают странные аттракторы [65]. При этом бифуркационное происхождение динамических структур не исключает их существования в далекой закритической области, таким примером являются вихри Тейлора-Гертлера. Но все же основной чертой этих образований является то, что они существуют в пограничной области, где происходит стохастизация характеристик течения. К динамическому классу могут быть также отнесены структуры И. Пригожина [66].
Второй класс, квазиравновесные структуры являются противоположностью динамическим. Они существуют в таких областях, когда хаотическое движение развито настолько, что система близка к термодинамическому равновесию. Структурность такого движения объясняется двумя факторами: упорядочивающее воздействие интегралов сохранения и некоторая степень неравновесности, которая привносится в виде модели каскадного процесса [54].
Третий класс - потоковые структуры, существующие далеко от области режимного перехода. В этом случае бифуркационные процессы уже произошли, чем они и отличаются от динамических структур. В свою очередь от квазиравновесных структур их отличает то, что неравновесность или потоковость является основной чертой этих образований [54].
Что касается высокотемпературных потоков, то процессы, протекающие в турбулентном пламени, представляются еще более сложными. В настоящее время в статистической теории турбулентности таких систем разработаны методы [67] расчёта течения для отдельных, частных случаев и получено лишь качественное соответствие результатам экспериментальных наблюдений.
Очевидно, что для развития структурного подхода необходимы методы полевых измерений характеристик, обладающие высоким быстродействием. И в случаем изучения термомеханики эффективными становятся методы тепловизионной диагностики.
Эффективность их применения для идентификации турбулентных структур показана в [68]. Причем решающими в этом случае становятся методики обработки последовательностей термограмм.
Из проведенного анализа литературных данных вытекают следующие выводы о современном состоянии вопроса.
Для создания промышленных технологий наибольший интерес представляет встречно-соосное соударение струй или их систем, при котором достигаются наибольшая концентрация энергии в зоне взаимодействия.
Термомеханическая структура области соударения струй изучена недостаточно. Отсутствует развитая модель процессов переноса.
Прямые сведения о теплообмене при встречно-соосном соударении струй отсутствуют, можно сделать лишь некоторые предположения о закономерностях этого процесса, опираясь на ограниченные данные по соударяющимся под углом струям. Не разработана методика количественной оценки интенсивности теплообмена при соударении взаимопроникающих струй. С учетом того, что обсуждаемый объект слабо изучен, к тому же принадлежит к турбулентным системам - отсюда сложности его теоретического анализа чрезмерно велики, поэтому следует избрать экспериментальный путь исследования. Проведенный анализ позволяет поочередно поставить следующие основные задачи исследования: 1. Изучить газодинамическое строение области соударения струй и результирующего течения; 2. Разработать полевые методы идентификации газодинамической структуры соударяющихся потоков; 3. Определить влияние тепловых и газодинамических характеристик исходных струй на структуру области соударения; 4. Произвести количественную оценку интенсивности теплового взаимодействия при соударении струй, а результаты обобщить при помощи безразмерных критериев в виде эмпирических критериальных уравнений; 5. Для расширения термического диапазона режимов соударения и уточнения результатов лабораторных исследований провести изучение этого процесса для высокотемпературных струй - факелов; 6. В практическом (инженерном) аспекте разработать систему автоматического управления структурой области соударения и положением области соударения в пространстве.
Как было показано в главе 1, применение точечных методов при исследовании процессов соударения струй не позволяет решить поставленные задачи исследования. При этом может возникнуть ситуация, когда наиболее важная информация о механизме взаимодействия струй может быть упущена из-за инертности методик измерения. Полученные интегральные (во времени) локальные характеристики могут быть использованы только для подтверждения тех или иных теоретических заключений.
По вышеизложенным причинам наиболее адекватным подходом к изучению турбулентных потоков являются методы измерения всего поля значений контрольного параметра, обладающие при этом высоким временным разрешением.
В качестве такого метода для низкотемпературных струй, интенсивность излучения которых очень мала, может быть использована тепловизионная диагностика при помощи сетки-преобразователя температур (СПТ) [69]. Датчиком поля температур в этом случае является тепловизор. С помощью методик обработки термограмм, полученных при использовании СПТ, представляется возможность не только визуализировать процессы теплообмена, но и осуществить идентификацию структур и разработать способы управления этими образованиями.
Для решения задач исследования была сконструирована и собрана экспериментальная установка, принципиальная схема которой приведена на рисунке 2.1. Общий вид установки приведен на рисунке 2.2. 0 0 Рисунок 2.1. Принципиальная схема экспериментальной установки: 1 - автотрансформатор; 2 - выключатель; 3 - дутьевой вентилятор; 4 - демпфирующий бак; 5 - ротаметр; 6 - воздухоподогреватель; 7 - соединительный патрубок; 8 - термопара; 9 - сопло; 10 - система автоматического управления нагрева воздуха; 11 — сетка-преобразователь температур
Центральной частью (рабочим участком) экспериментальной установки является сопловая система, создающая встречные прямоточные струи воздуха. Вид рабочего участка установки приведен на рисунке 2.3. В качестве струйных аппаратов использовались тонкостенные металлические трубки круглого поперечного сечения диаметром d = 16...30 мм, и длинной / = 200...400 мм.
Общий вид экспериментальной установки Подача воздуха к соплам осуществлялась вентиляторами 3. Расход воздуха регулировался при помощи изменения числа оборотов электродвигателей вентиляторов путем изменения напряжения на выходе автотрансформаторов I. Демпфирующий бак и длинный (более 50 калибров) трубопровод 7, служили для стабилизации течения. Измерение объемного расхода воздуха осуществлялось ротаметром 5 марки РМ-15ЖУЗ. Средняя (среднерасходная) скорость выходных струйных потоков вычислялась по этому расходу.
Температура воздуха перед соплами измерялась медь-константановыми термопарами, подключенными к модулям АЦП ADAM-4018. Рисунок 2.3. Вид рабочего участка установки Для регулирования температуры воздуха в установке, была разработана система измерения и управления на базе модулей ADAM-4018, ADAM-4050 и SCADA-системы TraceMode 6, которая позволяла поддерживать t С с точностью ± 0,5 С. Данные о значениях температур в автоматическом режиме заносились в базу данных. Величина скорости плавно изменялась в диапазоне от 5 до 90 м/с.
Особенности термической структуры области соударения высокотемпературных струй
Как было отмечено ранее, наличие экзотермических реакций усложняет термическую структуру области соударения. Поэтому для исследования высокотемпературных потоков была разработана методика фазочастотного анализа последовательностей термограмм [95 - 99]. При помощи этой методики появляется возможность вычислить не только стандартное отклонение и характерную частоту пульсаций температуры, а также найти фазы колебаний для характерных частот.
Для того, что бы понять, как влияет соударение на термическую структуру, необходимо было провести анализ свободного факела. Эксперименты проводились с использованием прямоточной инжекционной горелки. Параметры процесса контролировались при помощи тепловизора и системы измерения, описанной в главе 2.
Последовательность термограмм обрабатывалась в специализированной программе, написанной автором работы, алгоритм программы приведен в приложении 3. Результатом обработки последовательности термограмм помимо поля стандартного отклонения температуры являлись поля характерных частот и фаз пульсаций температуры (рисунок 3.14). Как было показано в работе А.Ю. Кисельникова [100], частотный анализ является эффективным средством выявления структурных образований. Для этих же целей применяется частотный анализ при исследовании соударяющихся факелов.
На рисунке 3.14,в приведено поле характерных частот пульсаций температуры свободного факела, которое свидетельствует о том, что факел состоит из множества областей, пульсирующих с различной частотой. Однако как было показано в главе 2, преобразование Фурье позволяет не только выделить характерные частоты, но и определить фазы колебаний, соответствующие этим частотам пульсаций температуры. На рисунке 3.14г приведено поле фаз (в радианах), которое имеет факел данной горелки. В результате совместного анализа частотной и фазовой картины пульсаций температуры факела было обнаружено, что области, пульсирующие с одной и той-же частотой, могут иметь разные фазы этих колебаний.
Применяемая для анализа термической структуры высокотемпературных струй методика позволяет не только выделить границы факела по виду поля стандартного отклонения, но и определить границы отдельных структурных образований в этом факеле, а также фазы пульсаций для характерных частот. Анализ результатов показал, что свободный факел имеет большое количество структур (рисунок 3.14,в), пульсирующих с разной частотой. На рисунке 3.15 для свободного факела приведена гистограмма распределения долей площади факела занимаемых областями, в которых температура пульсирует с определенной частотой. Она свидетельствует о значительной неравномерности распределения площадей по частотам и отсутствие какой-либо доминирующей частоты. Поскольку распределение на гистограмме смещено в низкочастотную область (f 10 Гц), можно сделать вывод, что в факеле преобладают крупномасштабные структуры, которые и вносят, по-видимому, основной вклад в теплообмен.
Тепловизионное изображение свободного одиночного газового факела - а, стандартное отклонение температуры - б, характерные частоты пульсаций - в, фаза пульсаций - г. Инжекционная газовая горелка, (топливо - смесь: изобутан 80%, бутан 15%, пропан 5%, Gr= 0,2 г/с)
Для подтверждения гипотезы идентификации структур не только по частоте, но и по фазе колебаний, были проведены дополнительные эксперименты. На факел наносилось низкочастотное воздействие потоком воздуха, при помощи установленного в горелке микросопла с внутренним диаметром 1 мм (рисунок 3.16). Расход воздуха был на несколько порядков меньше расхода газа и регулировался при помощи электроклапана Festo. Частота пульсаций задавалась в программе TraceMode и варьировалась от 0,5 до 5 Гц. 8 ШШ
Гистограмма распределения доли площади факела S, в которой температура пульсирует с одинаковой частотой, по этим частотам/ Инжекционная газовая горелка (топливо - смесь: изобутан 80%, бутан 15%, пропан 5%) Gr= 0,2 г/с U С S,,K so їм ise дк : ; 50 100 150 лю хо 3 а /Гц б Ф,РВД В 00 150 МО SO 300 50 і М і» W0 250 300 Рисунок 3.16. Тепловизионное изображение возмущенного факела - а, стандартное отклонение температуры - б, характерные частоты пульсаций - в, фаза пульсаций - г. Инжекционная газовая горелка, (топливо - смесь изобутан 80%, бутан 15%, пропан 5%, Gr= 0,02 г/с,/возмущ = 4,5 Гц) При анализе результатов измерений было обнаружено (рисунок 3.16в), что пульсация микроструи вызывает в факеле колебания температуры с частотой возмущения, которые занимают большую часть области факела. При этом фазовый анализ показал, что образуется не единая структура, пульсирующая с одинаковой частотой, а набор структур, имеющих при этой частоте разные фазы колебаний. Изучение картины во времени показало, что структуры непрерывно движутся, переходя одна в другую, то есть существует эффект схожий с эффектом пространственно-временной перемежаемости.
Для более наглядного представления результатов анализа возмущенного факела была построена гистограмма распределения доли площади в факеле, занимаемой пульсирующей структурой от частоты пульсаций. Видно (рисунок 3.17), что более 70% площади факела пульсирует с частотой возмущения.
Данный эксперимент показал (рисунок 3.16), что применение фазо-частотного анализа является эффективным способом выявления структурных образований с последующим тестирующим воздействием на них при помощи микроструй.
Теперь перейдем к описанию высокотемпературных соударяющихся струй. На основе представлений, описанных в работе Гейдона и Вольфгарда [101], факел будем рассматривать как совокупность динамических структур. Соответственно, в случае возникновения внешнего воздействия - соударения с другим факелом, должно происходить изменение исходного структурного строения.
На экспериментальной установке была проведена серия опытов с целью определения основных закономерностей образования области соударения, как для соосно соударяющихся факелов, так и для соударяющихся под углом.
Наиболее распространенным в промышленности вариантом ориентирования горелок является горизонтальное расположение. Результаты анализа такого факела приведены на рисунке 3.18. Видно, что и в этом случае происходит, как и для свободного факела, образование структур, пульсирующих с разной частотой и неоднородной фазой.
Тепловизионное изображение свободного горизонтального факела - а, стандартное отклонение температуры - б, характерные частоты пульсаций - в, фаза пульсаций - г. Инжекционная газовая горелка (топливо -смесь: изобутан 80%, бутан 15%, пропан 5%, Gr= 0,024 г/с) На рисунке 3.19 приведены результаты обработки последовательностей термограмм соударяющихся горизонтально факелов прямоточных инжекционных газовых горелок. На рисунке 3.19,6 видно, что образуются три структурные области, со стандартным отклонением, превышающим среднее по площади факелов. 100 150 200 260 300 50 100 150 200 260 300
Обобщение данных по теплообмену при соударении низкотемпературных газовых струй
В современных представлениях Де характеризует теплопереносные свойства потока, a gradit) - движущий фактор, «силу», которую необходимо приложить, чтобы при данных переносных качествах турбулентного течения создать необходимый тепловой поток.
При этом коэффициент турбулентной теплопроводности среды Дг определить достаточно сложно. Общепринятой методики для этого не создано. Само понятие градиента скалярного поля (таковым является поле температур) представляется чисто математическим, т.е. абстрактным и допускает различные физические интерпретации в зависимости от цели анализа. По этому, для оценки полевого распределения движущих факторов теплового потока представляется целесообразным ввести понятие - «термонапряженность потока» ta , под которой понимается величина движущего - фактора теплопереноса, «усилия» теплопереноса. Введение ta , помогает при сопоставлении с полями структурных характеристик выяснить, какие когерентные структуры способствуют теплопереносу в турбулентных потоках, провести сопоставительный анализ движущих сил теплопереноса в различных - областях потока: там, где меньше ta лучше переносные свойства. На рисунках 4.4, 4.6 и 4.5, 4.7 приведены соответственно ЗО-визуализация полей температуры и термонапряженности потока для факелов.
Обращает на себя внимание тот факт, что в центре области соударения факелов не наблюдается какого-либо значительного термонапряжения. Следовательно представляется вполне правомерным усреднять температуру в области соударения, потому как даже в высокотемпературных потоках - факелах в этой области не наблюдается какого-либо значительного градиента температуры.
На рисунках 4.5, 4.7 и 4.9 поле термонапряженности изображено стрелками синего цвета, также изображены изолинии температуры. При несоосном соударении факелов аналогичной зоны с близкой к нулю термонапряженности не наблюдается. 10 2030405060 70 8090 Рисунок 4.5. Поле термонапряженности потока соударяющихся соосно факелов. Инжекционные газовые горелки (топливо - смесь: изобутан 80%, бутан 15%, пропан 5%; Gn= 17,5 мг/с, Gn= 28,0 мг/с, IId= 5) Рисунок 4.6. 3D - визуализация поля температур соударяющихся под углом факелов. Инжекционные газовые горелки (топливо - смесь: изобутан 80%, бутан 15%, пропан 5%; Gn = Gr2= 0,003 г/с) При изучении соосного соударения низкотемпературных струй (рисунок 4.8, 4.9) также не была обнаружена зона с пониженным значением термонапряженности, что может свидетельствовать о сильной турбулизации потока и высокой структуризации течения при соударении, вследствие которой не происходит формирования единой зоны со стабильно высокой темературой.
Следует отметить, что представленные на рисунках Q температуры являются проекцией поля на плоскость, которой в случае низкотемпературных струй является плоскость, проходящая через визуализирующую сетку, а в случае высокотемпературных струй - оптическая плоскость тепловизора. 1. Разработана методика качественной оценки теплового взаимодействия струй и получено критериальное уравнение теплопереноса для низкотемпературных газовых; 2. Создана методика и обобщены в виде размерного уравнения экспериментальные Управление положением и характеристиками температурного поля области соударения струй в режиме реального времени
Рассмотрим вопросы практического применения полученных результатов на примере энергетической отрасли.
Соударяющиеся струи широко используются в энергетических котлах. Примеры [6] топок с соударяющимися газовыми струями приведены на рисунке 5.1.
Топочные схемы энергетических котлов с управляемым факелом: а - инвертная, б - полуподовая, в - тангенциальная, г - подовая; 1 - топливо, 2 - воздух Соударение струй, выходящих из горелок, может происходить в котельных агрегатах как под углом, так и соосно. Обычно при использовании такой технологии горелки располагают на фронтальной и задней стене топки.
Еще одним способом использования соударяющихся струй является применение технологии вдувания воздуха в верхней части топки для обеспечения избытка воздуха больше единицы (рисунок 5.2) [110].
Для поддержания оптимальных характеристик указанных процессов необходимо в автоматическом режиме удерживать в заданном диапазоне область соударения струй. Кроме того, при регулирования расхода по горелкам необходимо предотвратить касание факелом экранных поверхностей и удержать результирующий факел в области оптимального теплообмена. При подаче воздуха в верхнюю часть топки необходимо обеспечить равномерное распределение коэффициента избытка воздуха, которое достигается за счет соударения струй в оптимальной области.
Для решения описанных выше проблем с использованием приведенной в главе 3 методики идентификации области соударения газовых струй автором работы был разработан алгоритм онлайн-определения области соударения. Также была разработана и запатентована система определения области соударения струй [111] (приложение 1). Структурная схема системы приведена на рисунке 5.3. Система позволяет производить анализ температурного поля потока в топочном пространстве и определять положение области соударения струй для различных конфигураций топочного пространства и для всего температурного диапазона, используемого в промышленности; а также производить структурную идентификацию этой зоны; управление положением зоны соударения газовых струй и контроль поля температур рабочего пространства технологического оборудования с целью обнаружения зон (потоков) с аномальной температурой.
Для определения области соударения струй и контроля поля температур струй используется датчик контроля поля температур газового потока (рисунок 5.3, блок 7), установленный так, чтобы была возможность измерять временные вариации температурного поля в области наиболее вероятного соударения струй в технологическом оборудовании 8 (топке котла и т.п.). Данные от блока 7 передаются в контроллер 1 при помощи преобразователя интерфейсов 2. После обработки данных, контроллер при помощи модулей аналогового 3 и дискретного 4 ввода/вывода воздействует на регулирующие клапаны 5, через которые управляют расходом газообразной среды, поступающей в выходной направляющий аппарат 6. В результате автоматического управления достигается ввод области соударения газовых струй в оптимальный диапазон и решается задача контроля поля температур в рабочей зоне струи с целью решения вопросов защитного отключения при выходе температуры за допустимые пределы. Принципиальная схема системы управления приведена на рисунке 5.4.
Похожие диссертации на Газодинамика и теплообмен при соударении прямоточных газовых струй
