Введение к работе
Актуальность темы. Расчет радиационного теплообмена в топках энергетических котлов является актуальной задачей современной теплофизики в связи с созданием малогабаритных котлов с высокой производительностью, высокой теплонапряженностью топочного пространства, а также повышенным КПД. Для этого требуется определение трехмерного поля температуры и распределения радиационных потоков излучения на тепловоспринимающие поверхности топочной камеры с высокой точностью.
Цель работы - учёт неравновесных процессов излучения и острой селекции спектров излучения при решении задач переноса теплового излучения и радиационного теплообмена в высокотемпературных неоднородных средах.
Поставленная выше цель потребовала решения следующих задач:
разработка спектральной модели переноса излучения в структурно неоднородных средах с учетом острой селекции спектров излучения и влияния неравновесных процессов излучения в двухфазных средах;
определение и систематизация полученных экспериментально спектральных радиационных характеристик газовых компонентов продуктов сгорания и дисперсной фазы, вычисленных для полидисперсных ансамблей частиц с созданием электронной базы данных;
выявление закономерностей радиационного выхолаживания различных пламён в зависимости от адиабатической температуры;
математическое моделирование радиационного теплообмена с учётом протекающих процессов горения, в том числе и неравновесных процессов излучения;
применение разработанной модели для решения задач радиационного теплообмена в одной ячейке многокамерной топки с расчётом температурного профиля, спектрального и углового распределений излучения, а также интегральных потоков излучения по тепловоспринимающим поверхностям.
Методы исследования. Решение поставленных задач базируется на применении эмпирических данных по радиационным характеристикам оптически активных компонентов газовой фазы продуктов сгорания и их численного моделирования для компонентов дисперсной фазы, численных методов моделирования переноса излучения и радиационного теплообмена.
Научная новизна. Разработана спектральная модель переноса излучения для двухфазных структурно неоднородных высокотемпературных сред с применением двухпараметрического метода расчёта функции спектрального пропускания (ФСП) газовых оптически активных компонентов продуктов сгорания и учётом неравновесного процесса излучения.
На основе данных экспериментов, выполненных группой проф. Н.И. Москаленко, определены максимальные величины радиационного выхолаживания различных пламён и коэффициенты неравновесности по спектру полос поглощения гидроксила ОН. Обнаружен континуум излучения гидроксила ОН, обусловленный переходами в возбужденном состоянии. Впервые из
спектров неравновесного излучения определены интенсивности электронных полос ОН для секвенций Ad = ±1 (и - колебательное квантовое число).
Создана замкнутая математическая модель радиационного теплообмена для многокамерных топок с расчётом спектрального и пространственного распределений теплового излучения и распределений интегральных потоков по тепловоспринимающим поверхностям.
На защиту выносятся: спектральная модель переноса излучения в структурно неоднородных двухфазных средах с учетом острой селекции спектров излучения и влияния неравновесных процессов; разработанный метод замкнутого радиационного теплообмена с определением скоростей радиационного выхолаживания и расчётом температурного профиля потоков излучения на тепловоспринимающие поверхности; коэффициенты неравновесности для гидроксила; результаты моделирования радиационного теплообмена в многокамерных топках.
Достоверность полученных результатов подтверждена базой эмпирических параметров ФСП оптически активных компонентов продуктов сгорания и использованием методики расчёта их концентраций по «В.Е. Алемасову», а также согласием выполненных расчётов интегральных потоков по тепловоспринимающим поверхностям с изменением энтальпии продуктов сгорания, уходящих из топочного объёма.
Практическая ценность работы. Разработанная спектральная модель переноса излучения в структурно неоднородных двухфазных средах с учетом острой селекции спектров излучения и влияния неравновесных процессов может использоваться при проектировании нового котельного оборудования, а также модернизации существующих котельных установок; при разработке аэрокосмических систем наблюдения; в ракетной технике; при моделировании временных трендов радиационного теплообмена в местах локализации ядерных взрывов в атмосфере.
Предложен способ повышения эффективности радиационного теплообмена путем применения многокамерной конструкции топки котельных установок с матричным подовым горелочным устройством восходящего потока пламени.
Неравновесные процессы позволяют объяснить действительную картину, наблюдаемую в процессе радиационного теплообмена.
Личный вклад автора. Автором предложена спектральная модель переноса излучения в двухфазных высокотемпературных средах, разработаны алгоритмы для моделирования спектральных и интегральных интенсивностей, потоков излучения в двухфазных средах с учётом неравновесных процессов излучения, разработан метод замкнутого радиационного теплообмена с расчётом скоростей радиационного выхолаживания и температурного профиля, потоков излучения на тепловоспринимающие поверхности, выполнен факторный анализ и определён вклад процесса неравновесного излучения в радиационное выхолаживание пламенной зоны.
Автором создана электронная библиотека радиационных характеристик компонентов газовой и дисперсной фаз продуктов сгорания, составлена
программа и выполнены расчёты потоков излучения на стенки отдельной ячейки камеры многокамерной топки, получено распределение полного потока излучения по тепловоспринимающим поверхностям.
Апробация результатов.
Работы обсуждались и докладывались на следующих конференциях: «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении», Казань, сентябрь 2006 г.; Тринадцатая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» Москва, февраль 2007 г.; Четырнадцатая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» Москва, февраль 2008 г.; VI школа-семинар молодых учёных и специалистов, Москва, 2007 г.; «XII аспирантско-магистерский семинар», Казань, декабрь 2008 г.; II Всероссийская молодежная научная конференция «Тинчуринские чтения», Казань, апрель 2007; IV и V Международная молодежная научная конференция «Тинчуринские чтения», Казань, апрель 2009 г. и апрель 2010 г.
Публикации.
Автором по теме диссертации опубликовано 20 работ. Из них статей в научных журналах - 5 (в том числе 2 по списку ВАК), в зарубежных научных журналах - 2, в сборниках научных трудов - 5, 1 коллективная монография, 9 тезисов докладов.
Структура и объем диссертации. Диссертация включает в себя введение, 4 главы, заключение и список литературы. Содержит 130 страниц печатного текста, 20 рисунков и 2 таблицы. Список литературы состоит из 141 источника.
