Большая техническая энциклопедия
1 2 3 4 6
C J W Z
А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я
ТА ТВ ТЕ ТИ ТО ТР ТУ ТЩ ТЯ

Турбулентное диффузионное пламя

 
Турбулентное диффузионное пламя - пламя, в котором потоки газов движутся с завихрениями.
Рассмотрим турбулентное диффузионное пламя, образующееся при истечении струи газообразного топлива из круглого сопла вертикально вверх в неподвижный воздух. Поэтому учет влияния излучения и отклонений от термодинамического равновесия на состав и температуру пламени дает малые поправки при описании основных характеристик факела.
Теория турбулентного диффузионного пламени, в котором действуют значительные архимедовы силы, а также теория перемешивающихся параллельных пламен была в общих чертах намечена Бэроном. Установлено, что архимедовы силы увеличивают интенсивность перемешивания и поэтому уменьшают высоту и диаметр пламени. Рассмотрение специальных случаев и граничных условий в струях горючего газа конечной ширины ( турбулентное или ламинарное течение на выходе из горелки, длинные трубки, сопла или диафрагмы) выходит, по-видимому, за рамки предложенного метода.
Опубликованы [44] высокоскоростные снимки турбулентных диффузионных пламен, из которых видно, что в любой момент пламя, по-видимому, имеет прозрачную область, захватывающую лишь часть зоны сгорания. Вероятно, результаты киносъемки и позволили вывести уравнение, выражающее высоту факела как функцию диффузии реагирующих компонентов через цилиндрическую оболочку, толщина которой пропорциональна длине пути смешения. Полученное уравнение для высоты факела сравнительно сложно. Эти авторы отмечают хорошее совпадение с результатами экспериментальных измерений, которые показали, что концентрация топлива у вершины факела составляла всего 3 % от его содержания в поступающей через сопло струе. Предложено также видоизмененное уравнение для струи пылевидного угля.
Следует вообще отметить, что турбулентные диффузионные пламена изучены еще слабо и теория их не развита в такой степени, как для ламинарного пламени. В частности, недостаточно ясными представляются условия перехода к турбулентному режиму горения при диффузионном горении гомогенных смесей. В отличие от изложенных условий перехода к турбулентному горению в гетерогенной системе пере сод диффузионного факела от ламинарного к турбулентному режиму для гомогенных смесей, согласно [19], наблюдается при следующих числах Re: 2200 - для водорода, 3700 - 4000 - для городского газа, 4750 - для окиси углерода, 8900 - 10400 - для пропана и ацетилена.
Сгорание реактивных топлив происходит в турбулентном диффузионном пламени при большом избытке воздуха. Для того чтобы можно-было достичь безупречного смешения, необходимо, чтобы топливо сгорало без остатка. Если при сгорании образуется углерод, то можно предположить, что возникают локализованные богатые воздушно-топливные смеси, и когда они сгорают, то отношение между образованием углерода и подачей воздуха принимает критическое значение.
Фактор несмешиваемости Т / Х г в турбулентных пламенах. При выводе предполагается, что пульсационная составляющая X подчиняется нормальному закону распределения ошибок. Необходимо пользоваться отношением ( фактическое содержание кислорода в пробе / ( кисдородпый эквивалент несгоревшего газа или обратной величиной в зависимости от того, какая на них больше единицы. Д 1 X-X t., где X - молярная доля газа, который вытекает из сопла, в пробе, приведенной к условиям, существующим до реакции, Jfr - молярная доля того же газа в стехнеметрической смеси до реакции. Весьма полезная формула для определения высоты турбулентных диффузионных пламен была выведена Хауторном, Уэдделлом и Хоттелем [ 2, стр. Этот вывод основывается на принципе сохранения количества движения и вещества, а также па предположении о постоянстве угла расширения и равномерном распределении параметров состояния в каждом поперечном сечении струн. Можно показать, что эта формула совместима с предположением о таком механизме турбулентной диффузии, для которого коэффициент турбулентной диффузии пропорционален скорости и местному диаметру горящей струи.
Формула (8.31) показывает, что в турбулентных диффузионных пламенах высота пламени не зависит от скорости течения и прямо пропорциональна диаметру горелки.
При турбулизации потока пламя бунзеновской горелки становится турбулентным диффузионным пламенем, его границы теряют гладкость, пламя становится колеблющимся, высота же пламени с увеличением скорости потока почти не изменяется.
Обычно считают, что скорость сгорания в турбулентных диффузионных пламенах лимитируется в основном турбулентным смешением; скорость химической реакции не только не лимитирует этого процесса, но даже не играет сколько-нибудь важной роли.
Зависимость высоты пламени от параметров тепловыделения. Приведенные с помощью условных обозначений высоты относятся к расстоянию по вертикали от источника пожара до нижней границы подл ото лочного слоя. Дополнительные данные взяты из работ 1 -. 2 -. 3 -. 4 - [ 396. 5 . В работе [367] не только получен значительный объем данных по турбулентным диффузионным пламенам, формируемым восходящими потоками, но проведен фундаментальный анализ структуры пламен енвванньш на уравнениях сохранения. Одно из интересных заключений, которые были сделаны на основе этого исследования, состоит в том, что в пределах своей высоты турбулентное диффузионное пламя вовлекает гораздо больший объем воздуха ( на 400 % больше), чем требуется для простого сжигания газов горючего.
Влияние карбюрирова.
Для правильного понимания рассмотренных выше данных целесообразно четко сформулировать, какие цели ставят перед собой исследователи, работающие в области турбулентных диффузионных пламен, в деле помощи инженеру при конструировании и расчете теплотехнической аппаратуры или реакторов.
Было бы желательно, чтобы в дальнейшем были продолжены исследования химических процессов, а также различных процессов перемешивания, протекающих в турбулентном диффузионном пламени, заключенном между осевой линией струи горючего газа и окружающей атмосферой. Эти исследования должны включать в себя измерения полей концентрации, температуры и скорости, а также, возможно, и пульсаций этих величин в пламени для различных характерных случаев. К ним могут относиться цилиндрические струи горючего газа, распространяющиеся в воздушной среде, коаксиальные струи горючего газа и воздуха, а в случае применения оптических методов исследования - соответствующие плоские системы течений.
Подробные исследования на горелках с принудительной подачей воздуха без предварительного смешения проведены в работе X. Так как в турбулентных диффузионных пламенах смешение газа с воздухом происходит уже после выхода из горелки в камеру, определялся только отрыв пламени. Выявлено влияние различных конструктивных параметров на стабильность факела. Так, например, увеличение диаметра стабилизирующей шайбы при неизменном диаметре внешней трубы приводит к достижению больших скоростей отрыва. Изменение диаметра внешней трубы сопровождается ростом скорости отрыва при больших диаметрах и сдвигом максимума стабильности в область больших избытков.
Другое интересное исследование было предпринято Пауэллом [ 30, стр. Несмешиваемость, имеющая место в турбулентных диффузионных пламенах ( о ней упоминалось выше при рассмотрении структуры турбулентных диффузионных пламен), приводит к рассеиванию перемешанных между собой молей топлива и окислителя, однако не в достаточной для протекания реакции степени. Конечная стадия зависит от молекулярного смешения. Эти обстоятельства требуют знания скоростей процессов диффузии и химической реакции. Рассмотренная Пауэллом проблема имеет также важное практическое значение при сжигании жидких топлив, так как капли с диаметром 100 мк попадают в зоны смешения с такими же по порядку значений размерами. Размеры каждого из отверстий были подобраны так, что при равных скоростях струй горючего газа и воздуха обеспечивалось стехиометрическое отношение расходов топлива и воздуха.
В заключение раздела, посвященного стабильности пламени, следует отметить скудость экспериментальных данных и отсутствие сколько-нибудь разработанной теории. Отсутствие экспериментальных данных объясняется трудностями лабораторного исследования больших турбулентных диффузионных пламен и тем, что промышленные потребители гораздо больше интересуются явлениями, происходящими в стабильных условиях, чем явлениями, происходящими в случае срыва пламени. Отсутствие теоретического анализа, вероятно, объясняется трудностями сочетания двух областей - диффузионного сгорания и турбулентности, каждая из которых даже раздельно практически мало изучена. Несмотря на это, общая картина достаточно ясна для общего понимания проблемы стабильности пламени.
Диффузионные пламена уже очень давно и широко используются в промышленности: в силовых установках, цементных печах, мартеновских и плавильных печах, печах для термической обработки, в нефтезаводских факелах, камерах сгорания реактивных двигателей и в других аналогичных областях. Тем не менее изучение литературы показывает, что турбулентным диффузионным пламенам, несмотря на их важное промышленное значение, посвящено гораздо меньше научных исследований, чем пламенам предварительно смешанных газов и ламинарным диффузионным пламенам. Однако в цели авторов не входит обсуждение опубликованных работ; эта глава посвящена рассмотрению данных, необходимых для более глубокого понимания природы и методов получения турбулентных диффузионных пламен, а также ознакомлению с различными явлениями, сопровождающими пламена этого типа.
Диффузионные пламена газа ( или распыленного твердого, или жидкого горючего) широко применяются в промышленных топках. Хотя в технике в большинстве случаев приходится иметь дело с турбулентными диффузионными пламенами, значительная часть научных работ относится к ламинарным диффузионным пламенам, более доступным для теоретического анализа и лабораторных исследований. Для конденсированных смесей, где размеры частиц компонентов малы, интерес представляют лишь ламинарные диффузионные пламена.
Экспериментальные исследования и теоретические оценки [1-4] позволили выделить три фактора, оказывающих сильное воздействие на образование NO при турбулентном диффузионном горении: турбулентные пульсации температуры и концентрации, отклонение концентрации реагирующих веществ и температуры от термодинамически равновесных значений из-за конечной скорости химических реакций, потери тепла, обусловленные излучением факела. Цель данной работы - разработка количественной теории процесса образования NO в турбулентном диффузионном пламени, в рамках которой учитываются перечисленные эффекты.
Другое интересное исследование было предпринято Пауэллом [ 30, стр. Несмешиваемость, имеющая место в турбулентных диффузионных пламенах ( о ней упоминалось выше при рассмотрении структуры турбулентных диффузионных пламен), приводит к рассеиванию перемешанных между собой молей топлива и окислителя, однако не в достаточной для протекания реакции степени. Конечная стадия зависит от молекулярного смешения. Эти обстоятельства требуют знания скоростей процессов диффузии и химической реакции. Рассмотренная Пауэллом проблема имеет также важное практическое значение при сжигании жидких топлив, так как капли с диаметром 100 мк попадают в зоны смешения с такими же по порядку значений размерами. Размеры каждого из отверстий были подобраны так, что при равных скоростях струй горючего газа и воздуха обеспечивалось стехиометрическое отношение расходов топлива и воздуха.
Образующиеся в пламени продукты реакции распространяются в обе стороны от этой границы; топливо и кислород, для того чтобы перемешаться и вступить в реакцию, доляшгл диффундировать в противоположных этим потокам направлениях. Такое общее представление соответствует как ламинарному диффузионному пламени, в котором смешение обусловлено молекулярной диффузией, так и турбулентному диффузионному пламени, в котором быстрое образование молярной смеси, обусловленное крупномасштабным турбулентным переносом, существенно ускоряет образование горючей молекулярной смеси. В одномерном потоке образование стационарного диффузионного пламени невозможно; стационарное диффузионное пламя относительно простой структуры может бить получено как на границе между топливной и кислородной зонами, возникающей при истечении струи горючего газа it неподвижную окислительную среду, так и па границе двух параллельных потоком топлива и окислителя.
Зависимость высоты пламени от параметров тепловыделения. Приведенные с помощью условных обозначений высоты относятся к расстоянию по вертикали от источника пожара до нижней границы подл ото лочного слоя. Дополнительные данные взяты из работ 1 -. 2 -. 3 -. 4 - [ 396. 5 . В работе [367] не только получен значительный объем данных по турбулентным диффузионным пламенам, формируемым восходящими потоками, но проведен фундаментальный анализ структуры пламен енвванньш на уравнениях сохранения. Одно из интересных заключений, которые были сделаны на основе этого исследования, состоит в том, что в пределах своей высоты турбулентное диффузионное пламя вовлекает гораздо больший объем воздуха ( на 400 % больше), чем требуется для простого сжигания газов горючего.
В заключение следует отметить, что в данной главе была показана возможность моделирования систем сгорания холодными струями. Теоретический анализ в сочетании с подобными опытами на моделях позволяет получить практически ценные результаты, обнаруживающие хорошее соответствие экспериментальным данным, характеризующим большие турбулентные диффузионные пламена, применяемые в промышленных установках.
Уместно перейти к рассмотрению типичных опытных данных по процессам сгорания в струе. Особый упор делается на турбулентные диффузионные пламена вследствие важного их промышленного значения. Пламена предварительно приготовленных топливо-воздушных смесей и ламинарные диффузионные пламена, являвшиеся предметом многочисленных опубликованных в литературе исследований, будут затрагиваться лишь в порядке сравнения.
Переход диффузионного пламени от ламинарного к турбулентному при возрастании скорости струи ( Хоттель, Хауторн.| Значения чисел Рей-нольдса, при которых происходит переход от ламинарных к турбулентным диффузионным пламенам ( Хоттель, Хауторн.
Пламена такого типа называются приподнятыми пламенами. Реально область, в которой высота пламени почти не зависит от скорости струи, соответствует турбулентному течению струи. Это и есть так называемые турбулентные диффузионные пламена. Область, в которой высота пламени возрастает по мере увеличения скорости струи, относится к ламинарным диффузионным пламенам.
При скоростях 3 и 7 6 м / сек поверхность начального участка пламени, определяющаяся изотермой с температурой 870 С, оставалась неподвижной, но при скорости 15 2 м / сек эта изотерма смещалась в направлении движения струи. Это можно рассматривать как доказательство того, что скорость распространения пламени возрастает сначала пропорционально скорости потока ( или интенсивности турбулентности), а затем несколько медленнее, как это наблюдается в некоторых случаях в турбулентных пламенах предварительно приготовленных смесей. Однако это объяснение не позволяет глубже понять природу и механизм турбулентного диффузионного пламени.
Схема свободной струи. В результате наблюдений, аналогичных приведенным выше, можно считать, что важнейшим шагом к более глубокому пониманию природы и механизма диффузионных пламен в турбулентном потоке является углубленное изучение турбулентных струй. Поскольку большинство исследовательских работ было посвящено свободной струе, с таких систем и начнем рассмотрение. В этом разделе изложены теории, предложенные в связи с возможностью их практического использования для объяснения турбулентных диффузионных пламен. Поскольку большинство областей применения связано с использованием закрытых систем, второй раздел главы посвящен ограниченной турбулентной струе. В третьем разделе рассмотрены имеющиеся данные по системам сгорания ( стабильность, форма и светимость пламени) и зависимость этих показателей от интенсивности турбулизации. В заключение главы приводятся некоторые замечания, которые могут служить-руководством для инженера-проектировщика, работающего в области применения турбулентных диффузионных пламен, и указаны направления дальнейших исследовательских работ.
Эльбе [22] и подробно описаны в главе VII. Льюис и Эльбе показали, что проскок и срыв ламинарных пламен, стабилизированных на краю трубки горелки, определяются градиентом скорости потока вблизи стенки. Подробное описание экспериментальных наблюдений относительно устойчивости турбулентных пламен, стабилизированных на краю трубки-горелки, а также данные об устойчивости приподнятых турбулентных пламен и турбулентных диффузионных пламен приведены в главе IX настоящего тома.
Диффузионные пламена уже очень давно и широко используются в промышленности: в силовых установках, цементных печах, мартеновских и плавильных печах, печах для термической обработки, в нефтезаводских факелах, камерах сгорания реактивных двигателей и в других аналогичных областях. Тем не менее изучение литературы показывает, что турбулентным диффузионным пламенам, несмотря на их важное промышленное значение, посвящено гораздо меньше научных исследований, чем пламенам предварительно смешанных газов и ламинарным диффузионным пламенам. Однако в цели авторов не входит обсуждение опубликованных работ; эта глава посвящена рассмотрению данных, необходимых для более глубокого понимания природы и методов получения турбулентных диффузионных пламен, а также ознакомлению с различными явлениями, сопровождающими пламена этого типа.
Советской школой была разработана тепловая теория пламени, однако аналитическое выражение скорости пламени удалось получить только для условий с целым рядом ограничивающих предположений. Дальнейшее развитие теории ламинарного горения должно включать: развитие аналитических методов учета влияния кинетики и тепломассообмена, диффузии активных центров, исследование структуры зоны пламени. Аналогичные задачи могут быть названы для диффузионного пламени, среди которых существенны для условий двигателей ( особенно дизелей): раскрытие законов процесса горения капли и факела топлива и турбулентного диффузионного пламени.
Смесь, содержащая 28 % бутана, выходит далеко за пределы воспламеняемости, и поэтому ее горение можно рассматривать как диффузионное. Если принять за основу градиент скорости, фактически существующий на выходе из сопла, вблизи которого находится пламя, то показатели для ламинарного и турбулентного режимов потока укладываются в данном случае на одной линии. Наряду со сходством пламени предварительно приготовленной смеси и диффузионного пламени между ними существуют и различия. Как видно из рис. 35, отрыв турбулентных диффузионных пламен может происходить на пределе стабильности пламени, после чего пламя стабилизируется в зоне сгорания на некотором расстоянии от сопла. Именно такого типа пламена обычно применяются в промышленной практике. Для срыва этого пламени требуется большое дополнительное увеличение скорости.
В результате наблюдений, аналогичных приведенным выше, можно считать, что важнейшим шагом к более глубокому пониманию природы и механизма диффузионных пламен в турбулентном потоке является углубленное изучение турбулентных струй. Поскольку большинство исследовательских работ было посвящено свободной струе, с таких систем и начнем рассмотрение. В этом разделе изложены теории, предложенные в связи с возможностью их практического использования для объяснения турбулентных диффузионных пламен. Поскольку большинство областей применения связано с использованием закрытых систем, второй раздел главы посвящен ограниченной турбулентной струе. В третьем разделе рассмотрены имеющиеся данные по системам сгорания ( стабильность, форма и светимость пламени) и зависимость этих показателей от интенсивности турбулизации. В заключение главы приводятся некоторые замечания, которые могут служить-руководством для инженера-проектировщика, работающего в области применения турбулентных диффузионных пламен, и указаны направления дальнейших исследовательских работ.
 
Loading
на заглавную 10 самыхСловариО сайтеОбратная связь к началу страницы

© 2008 - 2014
словарь online
словарь
одноклассники
XHTML | CSS
Лицензиар ngpedia.ru
1.8.11