Размещено на http://www.allbest.ru/

Одеський національний політехнічний університет

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Спеціальність 05.14.06 - Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

Інтенсифікація процесів взаємодії обертових газових потоків в енергозберігаючих технологіях теплоенергетики

Зайцев Олег Миколайович

Одеса 2004

 Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеській державній академії будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант:

Доктор технічних наук, професор Гогунський Віктор Дмитрович, Одеський національний політехнічний університет Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри охорони праці та безпеки життєдіяльності.

Офіційні опоненти:

1. Доктор технічних наук, професор Кєсова Любов Олександрівна, Національний технічний університет України (КПІ), завідувач кафедри теплоенергетичних установок, теплових і атомних електростанцій.

2. Доктор технічних наук, професор Драганов Борис Харлампієвич, Національний аграрний університет України, професор кафедри теплоенергетики.

3. Доктор технічних наук, професор Воїнов Олександр Петрович, Одеський національний політехнічний університет , професор кафедри теплових електричних станцій та енергозберігаючих технологій.

Провідна установа -- Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України

Захист відбудеться “14” вересня 2004 р. о 14.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.052.04 в Одеському національному політехнічному університеті за адресою: 65044, м. Одеса, проспект Шевченка, 1, ауд. 400А.

З дисертацією можна ознайомитись у науковий бібліотеці Одеського національного політехнічного університету Міністерства освіти і науки України за адресою: 65044, м. Одеса, проспект Шевченка, 1, тел. 288-205.

Автореферат розісланий 30.07.2004 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради В.Д.Гогунський д.т.н., професор

1. Загальна характеристика роботи

паливний теплоенергетика обертовий децентралізований

Актуальність теми. У світовій енергетичній структурі частка споживання природного газу беззупинно зростає і досягає в паливному балансі України 50 %. У той же час робота теплоенергетичного комплексу, як єдиної системи, що забезпечує розвиток народного господарства країни визначається в першу чергу ефективністю енергоспоживання, що поставило проблему розробки, дослідження і впровадження енергозберігаючих технологій у ряд стратегічних задач держави. Дефіцит паливно-енергетичних ресурсів в Україні також загострює цю проблему. Збільшення теплових втрат у трубопроводах внаслідок фізичного старіння тепломереж сприяло розвитку теплогенеруючих децентралізованих систем малої потужності. Але скорочення довжини теплових мереж і, відповідно, тепловтрат в них привело до зменшення числа теплогенеруючих установок в котельних, тобто до зниження ефективності обладнання через роботу в неоптимальних режимах практично упродовж всього опалювального періоду.

Зазначена проблема може бути вирішена за рахунок використання властивостей аеродинаміки обертових потоків в технологічних процесах і управління результуючим полем швидкостей при їхній взаємодії. Однак, застосування в теплоенергетичному обладнанні (зокрема в топках, системах опалення, вентиляції, технологічних процесах при експлуатації та обслуговуванні обладнання) обертових потоків вимагає забезпечення стійкості створюваних структур, що особливо важливо при їх взаємодії. Дотримання даної умови ускладнюється застосуванням сильнозакручених потоків, коли в умовах первинного розпаду вихора, з'являються рециркуляційні зони і виникають низькочастотні коливання прецесуючого вихрового ядра (ПВЯ) у потоці. Але питанню впливу коливань ПВЯ на стійкість потоку, особливо при взаємодії обертових струменів, аеродинаміка яких при русі під кутом, що сходиться, паралельно та протилежно одне одному (як соосно, так і зі зсувом) вивчені недостатньо, а відомі аналітичні і емпіричні методики розрахунку обертових потоків не дозволяють одержати числові рішення щодо поля швидкостей і стійкості потоку протягом часу при наявності прецесуючого вихрового ядра.

Дослідження, спрямовані на удосконалення і розвиток теорії взаємодіючих обертових потоків, створення методології постановки, теоретичного і практичного рішення проблеми керування аеродинамікою закрученого потоку в теплоенергетичному устаткуванні при наявності прецесуючого вихрового ядра є актуальними і перспективними для енергозберігаючих технологій, як один з напрямків вирішення проблеми енерго- і ресурсозбереження в теплогенеруючих децентралізованих системах малої потужності, в елементах якої аеродинамічні характеристики є змінюваними, що дозволяє істотно підвищити ефективність використання паливно-енергетичних ресурсів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Напрямок роботи відповідає Закону України “Про пріоритетні напрямки розвитку науки і техніки” за напрямками ”Новітні технології та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі”, ”Збереження навколишнього середовища (довкілля) та сталий розвиток”, плану ДКНТ України, розділ 04.12 “Економічні та технологічні засади енерго- та ресурсозбереження; стратегія розвитку енергетики”, основним задачам державної програми “Енергозбереження”, програм “TASIS” Енергетичного центру ЄС у м. Києві.

Мета і задачи дослідження -- підвищення ефективності роботи теплогенеруючих децентралізованих систем на основі використання закономірностей аеродинаміки камер згоряння шляхом впровадження нового класу взаємодіючих обертових потоків з прецесуючим вихровим ядром.

Досягнення поставленої мети вимагає вирішення наступних задач:

— розвиток теорії утворення, функціювання та руйнування прецесуючого вихрового ядра в закрученому турбулентному потоці (при використанні пальникових пристроїв, систем повітряного опалення, викидів забруднюючих речовин в атмосферне повітря та інш.);

— теоретичні дослідження залежності руху ПВЯ в обертовому потоці і визначення впливу на нього нутації вихрового ядра;

— розробка богатоваріантних моделей руху обертового потоку при наявності збурювань, які ініційовані ПВЯ, амплітуди коливань потоку й умов його стійкості;

— розвиток теоретичних і практичних основ взаємодії обертових потоків при наявності ПВЯ (зустрічних, зустрічно-зміщених, паралельних потоків, які сходяться під кутом);

— оцінка адекватністі математичних моделей руху обертових потоків на фізичних моделях і в натурних умовах;

— дослідження результуючого поля швидкості при взаємодії обертових потоків (зустрічном, зустрічно-зміщених, паралельних потоків, які сходяться під кутом), а також коливання швидкості протягом часу в цих видах змішення струменів;

— розробка прикладних програм ПЕОМ для розрахунку особливостей руху ПВЯ в закрученому потоці, що збурює сили, ініційованої ПВЯ, стійкості закрученого потоку при наявності зворотних струменів і ПВЯ, що визначають швидкості при взаємодії зустрічних зміщених обертових потоків;

— розробка нових енергозберігаючіх засобів і конструктивних рішень для локалізації теплових джерел малої потужності і способів розсіювання шкідливих речовин в атмосферному повітрі;

— розробка методології визначення умов стійкості обертового потоку при наявності ПВЯ, методів розрахунку поля швидкості при взаємодії зустрічних, зміщених обертових струменів.

Об'єкт досліджень -- теплогенеруючі децентралізовані системи малої потужності, в пристроях яких використовуються обертові газові потоки з прецесуючим вихровим ядром.

Предмет досліджень -- закономірності взаємодії обертових газових потоків в теплоенергетичних установках малої потужності.

Методи досліджень:

— математичне, фізичне та числове моделювання руху газу в обертових потоках;

— експериментальні методи досліджень задач тепломасообміну;

— застосування методів математичної статистики і кореляційного аналізу.

Достовірність отриманих наукових положень, висновків і рекомендацій заснована на сучасних засадах про аеродинаміки і тепломасообміну обертових потоків, на коректному використанні математичного апарату, і підтверджена тим, що отримані результати не суперечать висновкам відомих теорій. Наукові положення, висновки і рекомендації, що сформульовані, у дисертаційній роботі також обґрунтовані експериментальними дослідженнями, узагальненням і систематизацією наукових даних.

Наукова новизна отриманих результатів:

— обґрунтована необхідність комплексного, системного підходу до визначення динамічного взаємозв'язку ПВЯ з обертовим потоком, що забезпечує застосування крутки в різних технологічних процесах теплогенеруючих систем малої потужності;

— вперше досліджено явище прецесії вихрового ядра в обертовому потоці газу з часом і при наявності зворотних струменів, у результаті чого отримано аналітичне рівняння для визначення сили, що виникає внаслідок впливу ПВЯ;

— дістала подальший розвиток теорія еволюції турбулентного обертового потоку в залежності від ступеня крутки і часу, і вперше виявлено, що причиною зменшення пульсації ПВЯ є перехід руху вихрового ядра від обертання як цілого до вільного вихору, з подальшим розщепленням його на декілько вихрових ядер, які прецесують з меншою інтенсивністю, з коливання, коли частота їх близька до частоти турбулентних пульсацій швидкості обертового потоку;

— вперше отримано аналітичну залежність швидкості в закрученому потоці від прецесії вихрового ядра, часу, коефіцієнта в'язкості і частоти обертання потоку;

— створено теоретичні моделі руху при паралельному, під кутом, що сходиться, зустрічній і зустрічній зміщеній взаємодії обертових газових струменів в пристроях теплогенеруючого обладнання малої потужності з урахуванням впливу на результуючий потік ПВЯ;

— виявлено обертальний характер руху результуючого потоку, який виникає у вертикальній площині при взаємодії зустрічних зміщених у горизонтальній площині обертових струменів газу, внаслідок відхилення потоків від центральних осей симетрії;

— встановлені умови стійкості обертового потоку газу при впливі прецесуючого вихрового ядра на основний потік, а також визначено період його коливань, який дорівнює 60 с.;

— експериментально підтверджено на дослідних примірниках і фізичних моделях теплогенеруючих систем малої потужності поле швидкостей при паралельному, зустрічному, під кутом, що сходиться (15-60°), зустрічно-зміщених у горизонтальній площині взаємодіючих обертових потоків, отримані дані щодо амплітуди коливань швидкості в цих типах взаємодії.

Практична значимість одержаних результатів:

— розроблено методики визначення поля швидкості в теплоенергетичному устаткуванні при різних видах взаємодії обертових потоків в умовах розвитої зони зворотних струменів і ПВЯ;

— створено комплекс програм для ПЕОМ, що дозволяють визначити результуюче поле швидкості й амплітуду його коливань при взаємодії зустрічно- зміщених обертових потоків протягом часу, витрати газу, ступеня крутки потоків, частоти прецесії вихрових ядер і інших параметрів;

— отримано залежність ступеня крутки потоку газу від частоти коливань ПВЯ, витрати газу і конструктивних параметрів в умовах стійкості обертового потоку газу;

— вперше запропонований спосіб управління особливостями аеродинамічного стану в камерах згорання, що полягає у формуванні результуючого поля швидкостей зустрічно-зміщеними в горизонтальній площині закрученими струменями;

— запропоновано способи та обладнання для технологічних процесів виробки тепла, експлуатації та обслуговання теплоенергетичного обладнання (спосіб плазмено-дугового різання, пристрій збільшення висоти викидів, уловлювачів пилу та інш.).

Отримані результати роботи були впроваджені: у державному комунальному підприємстві теплових мереж “Кіровоградтеплоенерго”, теплових мережах м. Іллічівська Одеської області (КП “Ільічівськтеплоенерго”), науково-виробничому об?єднанні “Орбіта” при НАН України, у Головному управлінні житлово-комунального господарства, енергетики і енергозбереження при Одеській обласній державній адміністрації. Отримані результати включені в плани регіональної політики Одеського регіону в області розвитку і удосконалення енергопостачання і економії паливно-енергетичних ресурсів; в навчальному процесі студентів фаху 7.092108 “Теплогазопостачання і вентиляція”.

Особистий внесок здобувача. Основні наукові положення, що містяться в дисертації отримані автором самостійно. Теоретичні та експериментальні дослідження виконані особисто, а впровадження розробок у практику виконано при безпосередній участі автора. Наукові праці [4--20, 22, 23, 25, 31--38] виконані самостійно. У публікаціях у співавторстві [1--3, 21, 39--44] здобувачу належить розробка ідей, теоретичне обґрунтування, обробка і аналіз результатів експериментів. Патенти й авторські посвідчення [24, 26--30] отримані при однаковій особистій участі співавторів.

Апробація роботи. Матеріали дисертаційної роботи і основних її положень доповідалися і обговорювалися на міжнародних, республіканських нарадах, науково-технічних конференціях, симпозіумах і семінарах: симпозіумі “Домэкспо -- 98” (Одеса, 1998), науково-технічних конференціях ОДАБА (Одеса, 2000--2004), міжнародній виставці-симпозіумі “Електроніка, енергетика” (Одеса, 2001,2003),Українській науково-технічній конференції “Управління енерговикористанням” (Одеса, 2001), міжнародній конференції по управлінню і автоматиці (Одеса, 2001), VIII форумі енергетиків Європи GRE2002 (Ополе, Польща, 2002), міжнародній науково-технічній конференції “Актуальні проблеми урбанізації й екології території” (Молдова, Кишинів, 2002), науково-технічній конференції “Екологія і здоров'я людини. Охорона водяного і повітряного басейнів. Утилізація відходів” (м. Щелкіно, АР Крим, 1999), науково-технічній конференції “Енергозбереження в системах опалення, вентиляції і кондиціювання” (Одеса, 2002), інтернет-виставці на сайті державного комітету з енергозбереження України (2001), міжнародній науково-технічній конференції “Нові процеси і їхні моделі в ресурсо- і енергозберігаючих технологіях” (Одеса, 2003), семінарі “Зварювання і родинні технології у сучасному машинобудуванні” (Одеса, 2003), науково-практичній конференції “Енергозберігаючі технології в будівництві та архітектурі” (Одеса, 2004).

Публікації. Основний зміст дисертаційної роботи викладено в 44 публікаціях (в тому чіслі 30 в фахових виданнях) , з них: 11 у науково-технічних журналах, 1 навчальний посібник, 25 у збірниках наукових праць, 5 деклараційних патентів і 2 авторських свідоцтва на винахід.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, шести розділів, загальних висновків, списку використаних джерел і додатків. Загальний обсяг -- 362 стор., у тому числі -- 242 стор. машинописного тексту, 266 малюнків на 74 стор., список використаних джерел з 204 найменувань на 20 стор., 3 додатка на 27 стор.

2. Зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету і задачі досліджень, наведено зв'язок роботи з міжнародними та державними програмами, наукова новизна та практична цінність одержаних результатів.

Виконаний у першому розділі аналіз стану і перспективи застосування обертових потоків при виробленні теплової енергії, в технологічних процесах при експлуатації та обслугованні енергетичного обладнання, в системах повітряного опалення і захисту навколишнього середовища в теплоенергетиці, свідчить, що удосконаленню й оптимізації систем із застосуванням обертових потоків приділяється недостатньо уваги. При цьому використання аеродинамічних особливостей взаємодіючих обертових потоків для рішення проблем енерго- та ресурсозберігаючих технологій значно менше поширено, а рекомендації з їх використання характеризуються декларативним характером.

Основні концепції теорії обертових потоків були покладені і розвиті такими вченими як Шліхтінг Г., Прандтль Л., Тейлор Х.С., Кнорре Г.Ф., Абрамович Г.М., Ахмедов Р.Б., Васильєв О.Ф., Драганов Б.Х., Халатов А.А., Жизняков В.В., Вуліс Л.А., Устименко Б.П., Гольдштік М.А., Ідельчік І.Є., Карпов С.В., Сабуров Е.М., Кутателадзе С.С., Ляховський Д.М., Лойцянсь- кий Л.Г., Кесова Л.О., Воїнов О.П., Гупта А., Ліллі Д., Сайред Н., Мерку- лов А.П., Найденко В.В., Осташев С.І., Шевелев В.Н., Штим А.М., Щу- кін В.К., Тодорцев Ю.К., Голубцов В.М. і інші. Сучасна теорія обертових потоків базується на теорії турбулентності -- шляху змішання Прандтля, завихрованості Тейлора, дотичних напружень, кінетичної енергії турбулентності, алгебраічних рівнянь, рядів Фур'є, геометричного опису руху, і визначає рух у центральній області потоку як обертання цілого (твердого тіла), а периферійну частину трактує як вільний вихор. При цьому для випадків слабкого і сильного (зі зворотними струменями) обертання потоку пропонується дві різні системи рівнянь, а основним припущенням у моделях є представлення руху зовнішньої частини закрученого потоку потенційним обертанням. Існування ж прецесуючого вихрового ядра в потоці передбачається при визначених числах Рейнольдса. Проте, у даний час нема обґрунтованого пояснення виникнення вихрового ядра, його прецесії, нутації і зникнення при зміні ступеня крутки потоку. З появою зони зворотних струменів у закрученому потоці можуть розвиватися нестаціонарні тривимірні пульсації, причини виникнення яких в теорії обертових потоків не зясовані, хоча експериментально підтверджено, що виникнення тривимірних пульсацій у сильнозакрученому струмені є результатом впливу ПВЯ, що визначає стійкість самого обертового потоку. З огляду на те, що в техніці обертові потоки взаємодіють з конструкціями, або з іншими (закрученими чи не закрученими) потоками, що можуть бути коаксіальними, зустрічними, паралельними, кутовими, тепловими струменями та іншими, були розглянуті роботи в даній області. Аналіз їх показує, що в основному досліджувалась взаємодія супутньо і протилежно обертових потоків при коаксіальному, паралельному і зустрічному розташуванні струменів. При цьому опис результуючого руху базується на теорії Прандтля про шлях змішання. Необхідно також відзначити, що навіть у моделях з турбулентними пульсаціями потоків не враховувався вплив ПВЯ на результуюче поле швидкості. Аналіз видів взаємодії обертових потоків показує, що проблема теоретичного моделювання остаточно не вирішена і вимагає розвитку у випадках існування ПВЯ (зустрічні, паралельні, зустрічні зі зсувом у горизонтальній площині обертові потоки) і з виродженим ПВЯ (зустрічні зі зміщенням вісей).

Для реалізації й обґрунтування умов ефективного впровадження в теплогенеруючі системи малої потужності нового класу процесів взаємодії обертових потоків із прецесуючим вихровим ядром необхідно було виконати наступні дослідження, спрямовані на:

— розвиток теоретичних уявлень про утворення, функціювання і руйнування прецесуючого вихрового ядра в обертовому турбулентному потоці та визначення впливу на нього нутації вихрового ядра;

— розробку математичних моделей руху обертового потоку при наявності ініційованих ПВЯ збурювань, амплітуди коливань потоку та умов його стійкості;

— удосконалення і подальшу розробку теоретичних і практичних основ взаємодії зустрічних та зустрічних зміщених між собою, паралельних, під кутом, що сходиться, обертових потоків при наявності ПВЯ, а також коливань швидкості в цих видах змішання струменів;

— розробку нових енергозберігаючих засобів і конструктивних рішень у теплоенергетиці, заснованих на взаємодіючих обертових потоках;

— створення методології визначення умов стійкості взаємодіючих обертових потоків, розрахунок швидкості при зустрічній зміщеній взаємодії обертових струменів.

В другому розділі виконано теоретичні дослідження особливостей руху вихрового ядра в обертовому потоці газу з центральною областю зворотних струменів.

При описі руху вихрового ядра у вільному ізотермічному закрученому струмені газу враховувалось, що за експериментальними даними Гупти А., Ліллі Д., Сайреда Н., вихрове ядро може скручуватися по довжині струменя і обертається навколо вісі струменя в зоні між областю зворотних струменів і прикордонним зовнішнім шаром. Саме вихрове ядро в цьому випадку піддається впливу основного обертового потоку, а, у зв'язку з близькими розмірами вихрового ядра і струменя, вплив на нього буде неоднаковим, внаслідок нерівномірного розподілу швидкостей у самому струмені. Оскільки положення вихрового ядра в різних перетинах струменя буде також залежати від зміни поля швидкостей по довжині струменя, то було прийнято, що вісь вихрового ядра збігається з віссю абсцис, обертовий потік має розвинену зону зворотних струмів, а саме вихрове ядро знаходиться в області, обмеженій зовнішньою границею зони зворотних струмів і прикордонним шаром закрученого потоку.

Математичний опис руху вихрового ядра, з урахуванням вказаних припущень, виконано по площинах, перпендикулярних аксіальному напрямку руху основного закрученого потоку, при цьому вісь координат розташована в геометричному центрі потоку. За базову систему рівнянь були взяті рівняння руху Навье-Стокса і нерозривності.

Для одержання складових швидкості вихрового ядра з базової системи рівнянь були задані розподіли швидкостей основного (що набігає на вихрове ядро) закрученого потоку, тиску у вихровому ядрі і початковий розподіл швидкостей у ньому.

Прийнято, що розподіл швидкостей основного закрученого потоку відповідає потенційному обертанню

де С| -- постійна; x, y -- поточні координати, м; xa -- відстань від центра струменя (початок координат) до границі області зворотних струмів, м.

Тиск у вихровому ядрі визначався за відомим рівнянням

де с -- густина газу, кг/м3; щ -- завихрованість.

Для визначення відстані від центра закрученого потоку до межі зворотних струмів використано положення про зміну напрямку аксіальній швидкості в зоні зворотних токів. Тоді

але, так як щільність і завихрованість більше нуля, то

(1)

Вирішуючи отриману систему рівнянь і приводячи подібні члени, після підстановки одержимо

(2)

(3)

(4)

(5)

У даній системі рівнянь(2--5) необхідно задати поточні координати Х и Y , константу С, густину с і кінематичну в'язкість н. При цьому невідомими є б -- кут, утворений віссю закрученого потоку і центром вихрового ядра, Щ -- кутова швидкість, ха і хс -- відстань від початку координат по осі Х до границі зворотних струмів і центра вихрового ядра відповідно, що дозволяє розв'язати цю систему щодо зазначених величин.

Так, з рівняння (1), при відомих значеннях поточних координат, визначається відстань від центра закрученого потоку до границі зони зворотних струмів. Щоб одержати відстань до центра вихрового ядра було використано рівняння нерозривності потоку. Дорівнюючи чисельник нулю, після перетворень одержано залежність

Для визначення інших невідомих у явному виді рівняння руху вихрового ядра в потенційному обертовому потоці (2 --5) були перетворені в наступний вигляд

З даних рівнянь щодо кутової швидкості й умови рівності коефіцієнтів при однакових ступенях, а також з огляду на те, що відомо тільки xa, одержано рівняння для визначення кута між осями струменя і вихрового ядра

Аналіз отриманих залежностей швидкості у вихровому ядрі показав, що воно розташовується безпосередньо поблизу зони зворотних струмів і має максимум аксіальної швидкості, а по мірі руху вихрового ядра відбувається зменшення аксіальної і збільшення тангенціальної складових швидкості. При цьому саме ядро збільшується в розмірах, що, при проведенні аналогії з утворенням вихрів при обтіканні потоком газу твердих тіл, дозволяє припустити надалі його дроблення на кілька вихрових ядер. Крім того, отримані результати дозволяють зробити висновок, що вихрове ядро крім прецесуючого руху навколо геометричного центра струменя робить нутацію, наявність якої буде впливати на основний обертовий потік.

Для математичного опису процесу взаємодії вихрового ядра з обертовим потоком прийнято, що зміна швидкості визначається осцилюючою складовою, залежною від нутації вихрового ядра. При цьому самі нутації мають гармонійний характер. Тобто, розглядаючи прикордонний шар на вихровому ядрі, що робить гармонійні коливання з малою амплітудою слід враховувати зміну швидкості потенційної течії за законом малих збуровань, рішення якого відомо для осцилюючої складової подовжньої швидкості. Підставляючи співвідношення для циркуляції швидкості в рівняння (2-5), отримуємо подовжню складову осцилюючої швидкості для даного процесу

(6)

З рівняння нерозривності знайдена друга складова осцилюючої швидкості з наступними граничними умовами

приy=0; при y = ?,

після інтегрування і приведення подібних, отримано рівняння для осцилюючої швидкості потоку.

(7)

Також було отримано рівняння для додаткового градієнта тиску, створюваного нутацією прецесуючого вихрового ядра в обертовому потоці у випадку розвитої зони зворотних струмів:

(8)

Результати моделювання для додаткового градієнта тиску, створюваного нутацією прецесуючого вихрового ядра в закрученому потоці у випадку розвитої зони зворотних струмів показують, що осцилююча швидкість за часом різко падає в початковий період (до 30 с), а далі -- має загасаючі коливання внаслідок нутації вихрового ядра при його прецесії в закрученому потоці газу.

Аналіз залежностей швидкості і додаткового градієнта тиску від частоти коливань вихрового ядра показав, що при збільшенні частоти до 100 с-1 відбувається різке зменшення абсолютних величин швидкості і додаткового градієнта тиску, що можна пояснити розпадом вихрового ядра на більш дрібні, з більш високою частотою коливань. При цьому наближення до частоти турбулентних пульсацій підтримує швидкість і градієнт додаткового тиску на практично постійному рівні.

Розгляд залежності осцилюючої швидкості і додаткового градієнта тиску в залежності від координат виявило, що, як у повздовжньому, так і в поперечному напрямках спостерігається досягнення максимуму цих функцій, що пов'язано з наближенням ядра до зовнішнього прикордонного шару закрученого потоку. При цьому розташування його збігається з розташуванням самого вихрового ядра. Однак, незважаючи на очевидний вплив коливань вихрового ядра на швидкість самого закрученого потоку, визначити стійкість останнього з отриманих залежностей не є можливим.

Відомі критерії стійкості обертових потоків визначають межі руйнування структури як появу області з низьким тиском у центральній частині закрученого потоку і виникнення прецесуючого вихрового ядра, тобто не дозволяють виконати оцінку стійкості закрученого потоку при існуванні зворотних течій.

Для виявлення умов стійкості обертових потоків при існуванні прецесуючого вихрового ядра був використаний спосіб розрахунку нестаціонарних періодичних течій. При цьому прийнято допущення, що основний потік є стаціонарним, а його рух відбувається за законом вільного обертання газу. Додатково на потік накладаються нестаціонарні коливання вихрового ядра.

Ґрунтуючись на припущенні, що основний вплив на стійкість закрученого потоку створюється прецесуючим вихровим ядром, одержимо розв'язання поставленої задачі при мінімізації амплітуди коливань останнього. Для цього розглянемо амплітуду коливань швидкості А як функцію осцилюючей складової u1

(9)

(10)

Аналіз (10) показав, що амплітуда коливань буде дорівнювати нулю при виконанні однієї з наступних умов

1) 1+L=0 (11)

2) (12)

3) (13)

Аналіз амплітуди коливань швидкості закрученого потоку і умов (11--13) у залежності від координат виявив, що в поперечному напрямку спостерігається досягнення максимуму амплітуди в області розташування вихрового ядра, що свідчить про обмеження поширення поперечних хвиль, створюваних прецесуючим вихровим ядром. У той же час у повздовжньому напрямку, починаючи від границі зони зворотних струмів і до зовнішнього прикордонного закрученого потоку відбувається збільшення амплітуди коливань швидкості, що підтверджується експериментальними даними інших авторів.

Зміна амплітуди в часі характеризується гармонійним характером, при цьому період коливань швидкості закрученого потоку дорівнює 60 с. Аналіз зміни умов (11--13) у часі показав, що перша функція (11) незначно збільшується з часом, а третя (13), навпаки зменшується і стабілізується при t=150 c. Тобто основний вплив на характер зміни амплітуди виконує друга залежність (12), а інші критерії мають згладжувальний вплив.

Оскільки теоретичні дані і дослідження факторів, що впливають на стійкість вихрових структур виявили збільшення в розмірах вихрового ядра по мірі руху і подальше його руйнування, то з огляду на відому залежність мінімальної кутової швидкості власного обертання твердого тіла, необхідної для стійкого його руху, а основні параметри ПВЯ зв'язані з частотою коливань вихрового ядра: -- приведена частота; -- приведений момент кількості руху; -- приведена інтенсивність пульсацій тиску;

була отримана залежність ступеня крутки потоку від масової витрати і частоти прецесії вихрового ядра в області стійкої рівноваги обертового струменя

 (14)

де umo -- максимальна осьова швидкість потоку, м/с; f -- частота прецесії ПВЯ, с-1; d -- діаметр вихідного патрубка, м; a -- відстань від центра струменя до розглянутого перетину ПВЯ, м; R -- відстань по радіусу до центра ПВЯ, м; Q -- масова витрата газу, кг/г.

Аналіз отриманої залежності показав, що ступінь крутки потоку прямо пропорційна частоті коливань прецесуючого вихрового ядра і протилежно пропорційна квадрату масової витрати газу, тобто забезпечення стійкості закрученого потоку при варіюванні витрати вимагає відповідної зміни ступеня крутки чи впливу на частоту коливань ПВЯ.

Отримана умова рівноваги обертового потоку в області існування розвитої зони зворотних струмів і ПВЯ, що дозволяє визначити найбільш раціональні параметри роботи устаткування при варіювані його продуктивності і спосіб стабілізації закрученого потоку.

У третьому розділі представлені результати математичного моделювання результуючого руху зустрічних, паралельних, зустрічних, зміщених у горизонтальній площині, ізотермічних взаємодіючих обертових потоків газу. Математичний опис у відомих дослідженнях ґрунтувався на рівняннях руху для вільного струменя закрученого газу, отриманих у роботі і теорії Прандтля про шлях змішання.

Для одержання поля швидкостей при змішанні паралельних вільних обертових струменів центр координат розташовувався на рівній відстані від вісей струменів. Аналіз отриманих даних по запропонованій моделі взаємодії двох рівнобіжних обертових струменів із прецесуючими вихровими ядрами встановив:

— існування періодичності коливань результуючої швидкості (tпер=60 с), як і для швидкості одиночного струменя, але при цьому має місце збільшення амплітуди коливань швидкості;

— збіг фаз коливань, що виникають в обертових струменях внаслідок прецесії і нутації вихрових ядер, при зсуві вісей струменів у горизонтальній площині на відстань кратну 2 діаметрам;

— найбільша швидкість спостерігається при низькочастотних коливаннях (до 300 Гц), при цьому характер зміни також подібний до одиночного обертового струменя;

— при наближенні перетину до початку струменів спостерігається значний стрибок швидкості, при цьому його розташування залежить від зсуву зони взаємодії обертових струменів по вісі ординат; тобто швидкості взаємодіючих обертових струменів складаються не по всій довжині, а тільки на короткій ділянці, де відбувається збіг зовнішніх (маючих позитивну аксіальну швидкість) шарів.

При дослідженні поля швидкості у разі взаємодії під кутом б вільних обертових струменів центр координат розташовувався на рівній відстані від вісей струменів. У розрахунках послідовно варіювалися t= 1…1800 c, f=0…500 Гц, координати x,y=0...0,9 м, n=1...26, кут між вісями струменів б =15…75 ?, відстань між вісями струменів від 0,1 до 0,4 м із кроком 0,1 м.

Отримані результати свідчать, що характер отриманих кривих аналогічний залежностям при взаємодії паралельних обертових потоків, однак максимуми швидкостей досягаються при різних відстанях зміщення по вісі. Максимуми швидкостей зростають зі збільшенням кута між вісями взаємодіючих обертових струменів. При цьому, на відміну від поля швидкості в паралельних струменях, другий максимум швидкості, що утворюється, мабуть, при додаванні зовнішньої частини струменів зі збільшенням кута має меншу величину в порівнянні з першим піком швидкості, що пояснюється зменшенням області взаємодії струменів, на якій відбувається збільшення швидкостей струменів.

Поле швидкостей при моделюванні зустрічних обертових потоків з прецесуючим вихровим ядром розраховувалося за аналогічною схемою. Центр координат розташовувався в центрі одного з струменів, швидкість другого струменя приймалася негативною, а відстань між ними для визначеності прийнято 0,4 м. При розрахунках послідовно варіювалися t= 1…1800 c, f=0…500 Гц, координати x=0…1,4 м, y=0…0,4 м, n=1...26.

Отримані дані щодо розподілу швидкості між зустрічними закрученими струменями показують, що розподіл її є дзеркальним щодо точки перегину, внаслідок взаємного погашення швидкості зустрічним струменем, а її зсув викликаний розташуванням розрахункових точок щодо осі Х.

Також встановлено, що результатом впливу вихрового ядра на обертові потоки є виникнення максимума швидкості в зоні прилеглій до внутрішньої області закрученого потоку. Значення пульсацій швидкості, у порівнянні з розглянутими раніше видами взаємодії обертових струменів свідчить про нестабільність процесів взаємного погашення швидкості в зустрічних обертових потоках. При цьому необхідно відзначити періодичність коливань швидкості (? 60 с). У цілому ж можна констатувати, що при взаємодії зустрічних обертових потоків швидкість значна тільки в центральній області, а у середній частині і периферійних шарах проходить її монотонне зниження до точки перегину, після якої швидкість змінює напрямок на протилежний.

Для одержання поля швидкостей при взаємодії двох зустрічних, зміщених, у горизонтальній площині вільних обертових струменів центр координат розташовувався на рівній відстані від вісі струменів.

Аналіз результатів моделювання показав, що швидкість у поперечному перерізі в точках витікання струменів змінюється аналогічно одиночному струменю до його середини, а далі відповідає профілю швидкості при взаємодії зустрічних обертових потоків. При цьому поле швидкостей розшаровується в залежності від величини зсуву, що пояснюється зміною області взаємодії струменів. У той же час, збільшення швидкості відбувається в більш широкій області і на всій відстані між взаємодіючими струменями, у порівнянні з розглянутими раніше видами взаємодії обертових струменів, а еволюція піка швидкості, викликаного додаванням швидкостей взаємодіючих струменів, визначає область оптимального співвідношення між величиною зсуву струменів у горизонтальній площині і відстанню між точками їхнього витікання рівним lсм/lр =0,25. Зміна результуючої швидкості в часі має коливальний характер -- з періодом у 60 с, що при використанні зустрічних, зміщених у горизонтальній площині обертових струменів у технічних пристроях вимагає передбачати механізм переваги коливань, як найбільш небезпечного для стабільного протікання процесу взаємодії потоків. Отримані результати досліджень при взаємодії паралельних, під кутом, що сходиться, зустрічних, зустрічно-зміщених у горизонтальній площині обертових струменів із прецесуючими вихровими ядрами показали, що найбільш ефективним для управління аеродинамічною обстановкою в камерах згоряння, і відповідно, тепловим режимом, є використання зустрічно-зміщених у горизонтальній площині обертових струменів (як по довжині взаємодії, так і по варіюванню результуючої швидкості). Однак, при цьому спостерігається у поперечному перерізі. і найбільша амплітуда коливань швидкості, викликана прецесією вихрових ядер, а також адитивністю іх коливань. Інші типи взаємодії хоч і мають меншу амплітуду коливань швидкості, також підлягають вказаному ефекту. Тому, для виключення резонансних явищ при взаємодії обертових потоків і стійкості створюваних структур необхідно забезпечити розбіжність частот коливань ПВЯ як мінімум на 30 %.

Використовуючи залежність ступеня крутки потоку (14) від масової витрати і частоти прецесії вихрового ядра в області стійкої рівноваги вільного закрученого струменя отримали рівняння для умов виключення резонансу в виді

 (15)

Оскільки управління ступенем крутки потоку в реальних умовах здійснити важко, то досягнення нерівності (15) можливе регулюванням витрат або середньої швидкісті

(16)

де V1, V2 -- середня швидкість, м/с; с1,с2 -- густина в струмені, кг/м3.

Тобто для забезпечення стабільного режиму горіння при взаємодіючих обертових потоках необхідне виконання не тільки рівняння (14), але і співвідношення (16). Таким чином, досягнення безперервної роботи теплоенергетичного устаткування в різних діапазонах теплових навантажень можливо шляхом використання взаємодіючих обертових потоків при дотриманні визначених умов.

У четвертому розділі представлені результати експериментальних досліджень швидкості взаємодіючих ізотермічних обертових струменів.

З експериментальних досліджень вільного ізотермічного закрученого струменя з розвитою зоною зворотних струмів і ПВЯ встановлено, що розподіл радіальної і тангенціальної складових швидкості при видаленні від зрізу вхідного патрубка, мають максимум, якій дзеркально змінює своє положення щодо центральної осі з кроком рівним 1 калібру внаслідок впливу вихрового ядра на структуру потоку. При цьому аксіальна складова характеризується наявністю на початковій ділянці позитивних і негативних знаківшвидкостей, розподілення яких відповідає зовнішній і внутрішній частині обертового струменя, а зміна її по довжині струменя має чотири чітко виражених ділянки, що пояснюється наявністю зони зворотних струмів. Зміна швидкості по вісі свідчить про нелінійну форму цієї зони. Аналіз розподілу тангенціальної складової швидкості в різних перетинах по довжині закрученого струменя, представленої в координатах V/Vmax і ln(x/xmax), загальноприйнятих для представлення таких графіків, показав, що отримані залежності мають однаковий профіль для будь-якого поперечного перерізу струменя, але зміщаються уздовж вісі абсцис при видаленні перетину від початку струменя. Одержані результати добре збігаються з даними інших авторів. Однак, таке представлення не є зручним для аналізу процесів, які відбуваються в обертових струменях.

Експериментальні дослідження результуючого поля швидкості при паралельній взаємодії обертових струменів виявили, що радіальна складова швидкості має три максимума, що розташовані в області між зоною зворотних струмів і зовнішньою границею струменів (крайні максимуми) і центральний -- сумарна швидкість при їхній взаємодії. При цьому взаємодія рівнобіжних обертових потоків відбувається на досить вузькій ділянці, обмеженій шириною зовнішнього шару струменя.

Тангенціальна складова швидкості при паралельному злитті обертових струменів має максимум у центральній області (між обертовими потоками), розташування якого залежить від відстані між вісями взаємодіючих струменів. При цьому на відстані більш 4-х калібрів додавання тангенціальних швидкостей паралельних обертових потоків не відбувається, і, на відміну від радіальної складової, максимальні абсолютні значення якої з збільшенням міжвісьової відстані залишаються приблізно однаковими, тангенціальна складова зменшується майже на порядок. Виявлено, що поява симетричних повторних максимумів тангенціальної швидкості в паралельних обертових струменях відбувається внаслідок сумарної дії зовнішньої частини струменя і прецесуючого вихрового ядра.

Аналіз аксіальної складової швидкості при паралельному розташуванні обертових струменів виявив наявність двох зон -- зовнішньої і внутрішньої. При цьому зовнішня характеризується мінімумом швидкості, що відповідає області зворотних струмів. При видаленні від патрубків, спостерігається підвищення, а потім поступове загасання даної складової швидкості.

Внутрішня зона має різкий скачок швидкості, при цьому максимум зміщується при збільшенні відстані між вісями.

Дослідження результуючої швидкості при різних кутах злиття струменів показали, що розподіл радіальної швидкості має максимум на відстані двох калібрів і взаємодіють струмені на відстані від 2 до 3 калібрів. Збільшення кута сходження обертових струменів відокремлює максимум радіальної швидкості від периферійної області зоною зворотних струмів. При цьому розподіл останньої аналогічний вільному одиночному закруче ному струменю, що викликано збільшенням кута “атаки” струменів при їхній взаємодії і відповідному зменшенні швидкості, що доводиться анало-гією профілів радіальної швидкості в рівнобіжних струменях і сходяться під кутом у 45є. Тангенціальна швидкість при взаємодії обертових струменів, що сходяться, за абсолютною величиною менше, ніж при взаємодії рівнобіжних обертових потоків, але сама область взаємодії при кутах у 45є і 60є більш протяжна. Розподіл аксіальної швидкості при злитті обертових струменів під кутом, що сходиться, показало аналогічність структури профілів в області змішання злиттю рівнобіжних потоків, хоча при взаємодії струменів під кутом 45є, відсутні вторинні максимуми і не відбувається зсув максимуму по довжині розвитку струменів.

Експериментальні дослідження результуючої швидкості, що утворюється при взаємодії зустрічних обертових вільних ізотермічних струменів при зміні напрямку крутки потоків показали, що радіальна і тангенціальна складові не мають мінімуму внаслідок паралельності площин їхнього векторного напрямку. Гасіння спостерігається тільки для аксіальної складової, при цьому розташування границі зміни її напрямку не фіксоване у центральній між патрубками області, а залежить від співвідношення величин розкриття струменів у даному перетині.

Дослідження поля швидкостей, що утворюється при взаємодії зустрічних, зміщених у горизонтальній площині обертових струменів показали, що зсув вісей струменів збільшує область взаємодії радіальної складової швидкості, а розташування максимумів і мінімумів у різних перетинах виявило наявність перемежованих областей взаємодії і витиснення струменя однє одного. Збільшення тангенціальної швидкості починається зі зсуву осей струменів на відстань 1 діаметр патрубка, при цьому отриманий розподіл якісно збігається з розподілом при взаємодії зустрічних, одноїменно обертових потоків, що можливо при взаємодії внутрішніх до зони зворотних струмів шарів одного струменя з зовнішніми шарами іншої. Розподіл аксіальної складової швидкості в області взаємодії зустрічних, зміщених обертових струменів показало наявність зміни напрямку аксіальної швидкості, причому максимум (мінімум) кривої приходиться на рівновіддалену від патрубків зону, а саме поле аксіальної швидкості має чітке розмежування між внутрішніми шарами і зовнішніми шарами результуючої течії. Крім того, підтверджене теоретичне припущення, що при взаємодії зустрічних зміщених обертових потоків область, де відбувається додавання швидкостей обертових струменів,значно перевищує аналогічні області розглянутих раніше взаємодіях.

У п'ятому розділі наведені результати експериментальних досліджень коливань швидкості у взаємодіючих обертових потоках.

Аналіз отриманих даних при дослідженні коливань швидкості у вільного ізотермічного закрученого струменя з прецесуючим вихровим ядром показав, що на початковій ділянці, де розвинена зона зворотних струмів коливання радіальної і тангенціальної складових швидкості спостерігаються на ділянках максимальних значень у периферійних шарах струменя, що пояснюється нутацією прецесуючого вихрового ядра. Перебудова поля швидкості на основній ділянці вільного закрученого струменя, після зони зворотних струмів збільшує амплітуду коливань швидкості щодо середніх її значень, але сталість абсолютної величини коливань підтверджує припущення про нутацію прецесуючого вихрового ядра, як механізма утворення коливань. При цьому найбільш нестійкою є область, що відповідає виявленому максимуму амплітуди коливань аксіальної швидкості, на відстані 3--4 калібрів. Також був визначений період коливань усіх складових швидкості у вільному обертовому струмені, який становить 60 с, що підтверджує результати теоретичних досліджень.

Дослідження коливань швидкості при взаємодії двох паралельних обертових потоків виявило, що на основній ділянці спостерігається збільшення відносної амплітуди коливань радіальної і тангенціальної складових швидкості по всьому перетину. Причому максимальні значення приходяться на область, розташовану за зоною зворотних струмів, викликаних проникненням струменів один в одного і взаємодією між зовнішніми шарами одного закрученого потоку з внутрішніми шарами іншого. Коливання аксіальної складової швидкості при паралельному розташуванні обертових струменів досягають максимуму на відстані 1 калібру, що відповідає області початку злиття їхніх зовнішніх шарів. Також виявлена протилежна спрямованість у периферійній частині коливань радіальної і тангенціальної складових швидкості при паралельній взаємодії обертових струменів коливанням, що виникають у центральній області при однаковому періоді коливань у 60 с. При цьому зі збільшенням міжосьової відстані амплітуда коливань радіальної складової швидкості не змінюється, а коливання тангенціальної швидкості по амплітуді поділяються на зовнішню і внутрішню області, де спостерігається додавання коливань.

Експериментальні дослідження коливань швидкості при взаємодії ізотермічних обертових струменів, що сходяться під кутом у 15?, 30?, 45? і 60? показали наявність взаємозв'язку амплітуди коливань радіальної складової швидкості від розвитку зони змішання. Тобто коливання з'являються і зростають по мірі формування результуючого потоку, у той же час коливання тангенціальної складової швидкості не мають такої залежності і спостерігаються на будь-якій ділянці розвитку течії. Найбільші значення коливань аксіальної складової швидкості спостерігаються в зоні взаємодії спрямованих під кутом обертових потоків, але при цьому швидкість зменьшується повільніще, ніж при паралельній взаємодії, а амплітуда коливань залишається практично постійною. Крім того, коливання носять протилежний характер щодо горизонтальної вісі і поширюються на зону зворотних струмів, при чому ця зона утворена не структурою окремого закрученого струменя, а припливом повітря з навколишнього середовища до зони змішання потоків. Періодичність коливань у часі всіх складових швидкості при розглянутих кутах взаємодії обертових струменів складає 60 с. Дослідження коливань швидкості, що виникають при зустрічному розташуванні обертових потоків показали, що в центральній області при наявності зони зворотнього току в струменях практично відсутні коливання швидкості, а наявні коливання в периферійних шарах мають найменшу амплітуду з усіх розглянутих раніше видів взаємодії обертових струменів. Періодичність коливань залишається незмін-ною. Аналіз результатів експериментальних досліджень коливань швидкості в зустрічно-зміщених у горизонтальній площині струменях, що обертаються, показав, що в радіальній складовій швидкості є в наявності коливання в периферійних шарах результуючого потоку. Амплітуда коливань даної складової швидкості менше, ніж при русі одиночних чи паралельних обертових потоків. Коливання тангенціальної складової швидкості виникають у центральній частині вже при зсуві осей на 1 діаметр і зростають зі збільшенням міжосьової відстані, що викликається зіткненням взаємодіючих шарів у нижній частині результуючого потоку і додаванням коливань у прилягаючих до них областях. Період коливань залишається практично постійним і дорівнює 60 с; при цьому виявлено обертальний рух у вертикальній площині між струменями.

Виконаний у шостому розділі узагальнений порівняльний аналіз теоретичних і експериментальних даних підтвердив адекватність запропонованих математичних моделей і правомірність зроблених у результаті досліджень висновків. Розбіжність результатів не перевищує 10%, що дозволяє використовувати отримані теоретичні залежності на практиці. В розділі пропонуються нові способи інтенсифікації передачі тепла в камерах згорання, що базуються на взаємодії двох зустрічних обертових потоків, зсув яких відносно один одного формує необхідне результуюче поле швидкостей у залежності від конфігурації простору камери згорання, локалізації теплового факелу при зварюванні в захисному газі, плазменно-дугового різання, конструкції пристрою для викиду газів з труби, пилогазоприймача, скрубера, апарата для очищення повітря, батарейного циклона; комплекс програм, що дозволяє одержати дані про стійкість окремих обертових потоків, величину сили, що виникає, при прецесії вихрового ядра, результатів взаємодії обертових струменів на стійкість створюваної структури.

Техніко-економічний аналіз запропонованого способу управління аеродинамічною обстановкою в камері згоряння показав, що ККД теплогенератора в середньому за опалювальний період зростає на 17%, що складає економію в 4,1 м3 газу на кожен кВт використовуваної потужності, а термін окупності при впровадженні заходів складає 5,5 років.

Загальні висновки

В дисертаційній роботі розроблені теоретично обґрунтовані науково-технічні принципи створення, аналізу та ефективного використання в теплоенергетиці нового класу процесів фізичної взаємодії обертових газових потоків з прецесуючим вихровим ядром, що дозволяє розвґязати важливу прикладну проблему впровадження енергозберігаючих технологий в теплогенеруючих системах децентралізованого вироблення тепла малої потужності, в елементах яких аеродинамічні характеристики є змінюваними.

Отримані наукові результати базуються на аналізі розроблених математичних моделей і експериментальних даних руху обертового потоку з ПВЯ та різних типах взаємодії закручених газових струмінів та іх стійкості.

У відповідності з метою роботи були одержані наступні результати:

1. В теорії еволюції турбулентного обертового потоку вперше виявлено, що причиною гасіння пульсацій ПВЯ є перехід його від обертання як твердого тіла до обертання за законом вільного вихру, що викликає розщеплення останнього на декілька прецесуючих вихрових ядер з меншою інтенсивністю, а частота коливань іх наближається до частоти турбулентних пульсацій у турбулентному струмені. Дане положення отримано при моделюванні руху прецесуючого вихрового ядра і підтверджується наступними результатами:

— вихрове ядро розташовується безпосередньо поблизу зони зворотних струмів і має максимум аксіальної швидкості, а по мірі руху вихрового ядра відбувається зменшення аксіальної і збільшення тангенціальної складових швидкості, при цьому саме ядро збільшується в розмірах, що при проведенні аналогії з утворенням вихорів при обтіканні потоком газу твердих тіл, дозволяє припустити надалі його дроблення на декілька вихрових ядер;

...