Исследование теплового излучения продуктов сгорания энергетических установок методом вычислительного эксперимента

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК МЕТОДОМ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА

Кутергина Наталья Алексеевна

Специальность:

01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника

Казань

2011

Работа выполнена на кафедре физики ФГБОУ ВПО «Вятский государственный университет» (г. Киров)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Кузьмин Владимир Алексеевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Таймаров Михаил Александрович

кандидат технических наук, доцент

Ярославцев Юрий Александрович

Ведущая организация:

Исследовательский центр проблем энергетики

Казанского научного центра (Академэнерго)

Российской академии наук

Защита состоится 15 февраля 2012 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.079.02 Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ» (КГТУ им. А.Н. Туполева) по адресу:

420111, Казань, К.Маркса,10, в зале заседаний Ученого Совета.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке

КНИТУ им. А.Н.Туполева-КАИ

Электронный вариант автореферата размещен на сайте Министерства образования и науки РФ (http://vak.ed.gov.ru) и на сайте КНИТУ-КАИ (www.kai.ru)

Автореферат разослан 22 декабря 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Кандидат технических наук, доцент

А.Г. Каримова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Теплообмен излучением играет огромную роль в природе и различных областях промышленности и современных технологий. Исследование теплового излучения имеет большое практическое значение, т.к. доля лучистого теплообмена в общем теплообмене при работе различных энергетических установок составляет 20-40%. В некоторых случаях доля теплового излучения может достигать до 80%.

В продуктах сгорания топлива в промышленных и энергетических установках содержится большое количество зольных частиц и оксидов. Часть этих веществ осаждается в топках и газоходах котлов, что приводит к перегреву и быстрому износу деталей и механизмов. Другая часть выбрасывается в атмосферу, загрязняя ее и оказывая негативное экологической воздействие на окружающую среду. С развитием и изменением промышленного производства, с появлением новых установок меняются и продукты сгорания, отходы и выбросы этих установок. Поэтому комплексное исследование радиационных характеристик и характеристик излучения в различных энергетических установках - одно из необходимых и важнейших условий при их проектировании, разработке и эксплуатации.

Исследования в данной области проводились в Институте физики АН Беларуси, МГУ, МГТУ им. Н.Э. Баумана, Санкт-Петербургском государственном университете, Институте теплофизики СО РАН, Институте прикладной математики РАН, Вычислительном центре СО РАН, Казанском государственном техническом университете им. А.Н. Туполева и т.д. Важные результаты по исследованию излучения были получены в работах В.Е. Алемасова, Л.П. Бахир, В.А. Кузьмина, С.Т. Суржикова, В.А. Каменщикова, К.Б. Панфиловича, В.Я. Клабукова, Адамса, Нельсона, Ван де Хюлста, М.А. Таймарова, Л.А. Домбровского, А.Б. Шигапова и других советских и зарубежных исследователей.

Большинство существующих методик исследований теплового излучения посвящено решению отдельных конкретных задач. Расчетных методик, которые в комплексе позволяют учитывать реально протекающие процессы и решать одновременно множество задач теплового излучения, практически нет.

Математическое моделирование теплового излучения, оптических свойств и радиационных характеристик гетерогенных продуктов сгорания позволяет решать множество проблем, возникающих при проектировании и работе различных энергетических установок, в обратных задачах теплообмена, в метрологических и экологических исследованиях, а также сократить число дорогостоящих и трудновыполнимых физических экспериментов, получать расчетным путем недостающие из реального эксперимента термо- и газодинамические параметры, определять влияние параметров на микро- и макроуровни с целью прогнозирования и планирования физического эксперимента.

Цель работы: создание методики комплексного исследования радиационных характеристик и характеристик излучения гетерогенных продуктов сгорания в различных энергетических установках методом вычислительного эксперимента.

Объект исследования: гетерогенные продукты сгорания различных энергетических установок, высокоэнергетических установок, дизелей и газодизелей.

В работе поставлены следующие задачи:

1. Вследствие обзора методов определения радиационных характеристик и характеристик излучения гетерогенных продуктов сгорания в энергетических установках выявить недостатки в расчетах теплового излучения в опубликованной литературе;

2. Организовать технологию и создать методику вычислительного эксперимента по комплексному исследованию радиационных характеристик и характеристик излучения продуктов сгорания энергетических установок, высокоэнергетических установок, дизелей и газодизелей;

3. На основании обзора методов решения интегро-дифференциального уравнения (ИДУ) переноса энергии излучения обосновать выбор метода для условий энергетических установок;

4. Провести комплексные вычислительные эксперименты по исследованию спектральных и интегральных радиационных характеристик, плотностей потока и степеней черноты для различных энергетических установок. Дать анализ результатов вычислительных экспериментов;

5. Выполнить сравнение результатов вычислительных экспериментов по комплексному исследованию характеристик излучения с литературными расчетными и экспериментальными данными.

Основные методы научных исследований в работе: методы вычислительной математики, теории лучистого теплообмена, общей химии и физики. Для расчетов радиационных характеристик и характеристик излучения продуктов сгорания энергетических установок использовался язык программирования Fortran 90, математические пакеты Maple 11 и Mathcad 2001. Для построения графических зависимостей использовался программный продукт Microsoft Office Excel 2007. Для создания схем использовался программный продукт Microsoft Visio 2007.

Научная новизна:

1. Впервые организована технология и создана методика вычислительного эксперимента по комплексному исследованию радиационных характеристик и характеристик излучения продуктов сгорания для промышленных и энергетических установок, ракетных двигателей и двигателей внутреннего сгорания;

2. Методом вычислительного эксперимента проведены комплексные исследования и получены радиационные характеристики и характеристики излучения для восьми энерготехнологических агрегатов, ракетных двигателей, дизелей и газодизелей;

3. Для различных энергетических установок методом вычислительного эксперимента установлено влияние определяющих факторов и параметров на характеристики излучения;

4. Впервые показана универсальность методики вычислительного эксперимента для различных энергетических установок.

На защиту выносятся:

1. Технология и методика вычислительного эксперимента по комплексному исследованию радиационных характеристик и характеристик излучения продуктов сгорания для промышленных и энергетических установок;

2. Результаты вычислительного эксперимента по исследованию радиационных характеристик и характеристик излучения различных энергетических установок, высокоэнергетических установок, дизелей и газодизелей;

3. Анализ влияния определяющих факторов и параметров на характеристики излучения в энергетических установках;

4. Доказательство универсальности методики вычислительного эксперимента по исследованию радиационных характеристик и характеристик излучения гетерогенных продуктов сгорания различных энергетических установок.

Достоверность и обоснованность результатов работы обусловлена применением современных методов теоретических исследований, математического моделирования, сопоставимостью полученных результатов с литературными расчетными и экспериментальными данными. Отличие результатов вычислительных исследований от экспериментальных результатов не превышает 5-7% для энергетических установок и до 2% при сравнении полученных в работе результатов с расчетными данными других исследователей для высокоэнергетических установок.

Практическая ценность.

Полученные результаты характеристик излучения позволяют судить о вкладе различных термо- и газодинамических параметров на плотности потоков и степени черноты газовой и конденсированной сред в различных участках спектра. Информация о результатах всех этапов вычислений дает возможность ограничиться результатами в каждом конкретном случае для определенных исследований: в области теплообмена (плотности потоков, степень черноты), в спектроскопии (коэффициенты и сечения), для определения функции распределения, оптических констант при решении обратных задач. Вычислительный эксперимент позволяет планировать физический эксперимент по определению температур газа и частиц. Решением обратной задачи с помощью вычислительного эксперимента можно получить недостающие по оптическим свойствам и по дисперсности данные, когда физический эксперимент затруднен или практически неосуществим. Изучение характера и уровня характеристик излучения позволяет воздействовать на процессы горения топлив, либо экранировать или фокусировать это излучение конструкционными материалами в энергетических установках. Характеристики излучения двигателей летательных аппаратов могут быть использованы для решения проблем селекции (обнаружение, распознавание летательных объектов и наведение на них зенитных управляемых ракет по тепловому излучению факела) и проблем защиты летательных аппаратов ложными целями от зенитных управляемых ракет по тепловому излучению.

Реализация результатов работы.

1) Получен акт об использовании результатов диссертационной работы при расчетах теплового излучения в энергетических агрегатах Кировского филиала ТГК-5.

2) Межрегиональным советом по науке и технологиям (г. Миасс) рекомендовано опубликовать научный обзор по профилю выполняемой диссертации для передачи в заинтересованные НИИ, КБ и предприятия для практического использования.

3) Получен акт о внедрении (использовании) результатов диссертационной работы в учебном процессе: при чтении лекций, курсовых работах и дипломном проектировании по дисциплинам «Рабочие процессы, конструкция и основы расчета энергетических установок» и «Автомобильные двигатели» для студентов, обучающихся по специальностям 190603 «Сервис транспортных и технологических машин и оборудования в АП» и 190601 «Автомобили и автомобильное хозяйство» на инженерном факультете Вятской ГСХА.

Личное участие.

Основные результаты получены лично автором под научным руководством профессора, д.т.н. Кузьмина В.А.

Апробация работы.

Основные результаты работы доложены на всероссийских и международных научно-технических конференциях (НТК) и семинарах: на Всероссийских НТК «Наука - Производство - Технологии - Экология» ВятГУ 2008-2009 гг.; На Всероссийских НТК «Общество - Наука - Инновации» ВятГУ 2010-2011 гг.; на Всероссийских НК студентов - физиков и молодых ученых: ВНКСФ-14 (г. Уфа) 2008 г., ВНКСФ-15 (г. Кемерово, г. Томск) 2009 г., ВНКСФ-16 (г. Волгоград) 2010 г., ВНКСФ-17 (г. Екатеринбург) 2011 г.; на Летних межрегиональных школах физиков: ЛМШФ-4 (г. Пермь - г. Екатеринбург) 2008 г., ЛМШФ-5 (г. Томск - г. Новосибирск) 2008 г., ЛМШФ-6 (г. Волгоград - г. Новороссийск) 2010 г., ЛМШФ-7 (г. Улан-Удэ -г. Красноярск) 2011 г.; на II и IV Международных НПК «Наука-Технологии-Ресурсосбережение» г. Санкт-Петербург - г. Киров 2009-2011 гг.; на Международных молодежных НК «Туполевские чтения» г. Казань 2010-2011 гг.; на Российской национальной конференции по теплообмену (РНКТ-5) г. Москва 2010 г.; на Всероссийской молодежной школе-семинаре по проблемам физики конденсированного состояния вещества (СПФКС-11) г. Екатеринбург 2010 г.; на Международной молодежной НК «Гагаринские чтения» г. Москва 2011 г.; на VI Международной НК «Тинчуринские чтения» г. Казань 2011 г.; на XXXI Всероссийской конференции «Наука и технологии» г. Миасс 2011 г.

По результатам научных исследований в 2008 г. на Всероссийской НТК «Наука - Производство - Технологии - Экология» в ВятГУ г. Киров работа удостоена грамоты за 1 место по техническим специальностям за лучшую научную работу на немецком языке; в 2010 г. и в 2011 г. на Международной молодежной НК «Туполевские чтения» в КГТУ КАИ им. А.Н. Туполева г. Казань работы удостоены дипломов II и I степени за высокий научный уровень представленных докладов. В 2011 г. на XXXI Всероссийской конференции «Наука и технологии» г. Миасс получено заключение Межрегионального совета по науке и технологиям (МСНТ) о признании научных результатов в качестве основы для подготовки и защиты диссертации на соискание ученой степени кандидата наук.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 19 научных работ.

Структура и объем диссертации.

Диссертация изложена на 133 страницах и состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы, содержит 58 рисунков и 9 таблиц. Список литературы включает 164 источника.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

тепловой излучение сгорание энергетический

Во введении обоснована актуальность настоящей работы, ее научная новизна и практическая значимость, сформулированы основные научные положения, выносимые на защиту, дано описание структуры диссертационной работы.

В первой главе выполнен обзор результатов теоретических исследований теплового излучения и результатов радиационных характеристик частиц в энергетических установках. В результате обзора во многих работах выявлены следующие недостатки: невозможность воспроизведения многих опубликованных результатов из-за недостатка исходных данных; не указаны размерности; используется серое приближение; учитывается излучение только газовой фазы или только частиц; не учитывается рассеяние излучения на частицах или учитывается только изотропное рассеяние; не учитываются неравновесности (тепловая и динамическая); не учитываются спектральные особенности излучения газовой фазы; не указан химический состав и не учитываются оптические свойства газовой фазы.

В завершении первой главы на основе проведенного анализа литературных данных сформулирована цель работы, обозначены объекты исследования, описаны основные задачи исследования, а также обоснована актуальность поставленных целей и задач.

Во второй главе рассмотрено ИДУ переноса энергии излучения в поглощающей, рассеивающей и излучающей среде, которое в стационарном случае имеет вид:

,

где - направление; r - радиус частиц; I - интенсивность энергии излучения; - коэффициент поглощения излучения единичным объемом; - коэффициент рассеяния излучения единичным объемом; k - коэффициент ослабления излучения единичным объемом; - индикатриса рассеяния, - телесный угол. Индексы: - спектральный; ' - рассеяние назад.

Проведен обзор методов решения ИДУ переноса энергии излучения в поглощающей и рассеивающей средах. Выбранный метод должен обладать простотой и достаточной точностью, удовлетворять многим критериям, таким как устойчивость на границах, хорошая сходимость метода, однозначность решения, учет множества параметров и т.п. Наиболее подходящим для этого методом является метод сферических гармоник с использованием метода матричной факторизации для одномерных и двумерных областей с внутренними равномерно распределенными по объему изотропными источниками. Этот метод обеспечивает достаточно хорошую сходимость, обладает безытерационной схемой расчета и учитывает такие параметры, как анизотропия рассеяния, селективность излучения, неизотермичность объема, оптические свойства, термо- и газодинамические параметры и граничные условия. Можно привести краткую цитату из монографии А. Вейнберга и Е. Вигнера [Вейнберг А., Вигнер Е. Физическая теория ядерных реакторов. - М.: Изд-во иностр. лит., 1961]: «… все рассуждения о преимуществах одного метода аппроксимации ИДУ перед другим сводятся к тому, насколько данный метод удобен для счетных машин. Но если счетная машина будет достаточно мощной, то, в конце концов, годится любой метод, который обеспечивает сходимость. Это - практическая точка зрения. Однако удобство использования метода при машинных расчетах едва ли заменяет математическое изящество или физическую наглядность. В этом отношении метод сферических гармоник является, возможно, наиболее привлекательным…»

В третьей главе перечислены основные факторы, влияющие на тепловое излучение, а также исходные параметры для вычисления характеристик излучения.

Наиболее важным исходным параметром является комплексный показатель преломления , который определяет оптические свойства частиц конденсата. Здесь n1 - показатель преломления, n2 - показатель поглощения частиц конденсированной фазы продуктов сгорания.

Другим не менее важным исходным параметром является параметр дифракции . При , т.е. при больших длинах волн и малых размерах частиц, рассеяние становится малым и при расчетах теплового излучения его можно не учитывать. Параметр дифракции характеризует влияние на рассеяние и поглощение дифракционных явлений на частицах в зависимости от соотношения между размером частиц и длиной волны падающего излучения.

При исследованиях также использовались такие параметры, как массовая доля Z и молярная масса , которые вычисляются следующим образом:

, ,

где n - количество веществ в химическом составе, Zi - процентная доля данного вещества в составе; - молярная масса i-го вещества.

Еще одним важным исходным параметром для вычисления радиационных характеристик индивидуальных частиц является функция распределения частиц по размерам . В данной работе использовались гамма-распределение, логарифмически-нормальный закон и распределение Гаусса. Функция распределения зависит от конкретного процесса, в соответствии с этим она не является универсальной и для каждого процесса имеет свои параметры.

В работе использовалась комплексная программа «SPEKTR», написанная на языке программирования Fortran, разработанная в Вятском государственном университете под руководством Кузьмина В.А. и Мараткановой Е.И.

Для обоснования невозможности использования серой модели излучения гетерогенных продуктов сгорания была использована следующая физическая модель: плоский слой со свободной границей, в методике используются разные распределения температур и давлений, частицы сферической формы и другие термо- и газодинамические параметры, постоянная функция распределения для конкретной энергетической установки. Спектральный диапазон л=1..5 мкм с шагом 0,1 мкм, чтобы доля максимального излучения попадала в этот диапазон. Математическая модель предусматривает вычисление характеристик излучения с помощью метода сферических гармоник в P3-приближении, а также радиационных характеристик частиц по программе «SPEKTR» на основе теории Ми и различных приближений для больших и малых частиц [Кузьмин В.А., Маратканова Е.И. Комплексная программа расчета характеристик излучения гетерогенных продуктов сгорания // Совершенствование теории и техники тепловой защиты энергетических устройств: Тез. докл. Республ. конф. г. Киев, 26-28 мая 1987. - С.69-70]. Радиационные свойства газов при высоких температурах рассчитываются при помощи методов, описанных в [Каменщиков В.А., Пластинин Ю.А., Николаев В.М., Новицкий Л.А. Радиационные свойства газов при высоких температурах. М.: Машиностроение, 1971. - 440 с].

Чтобы вычислить радиационные характеристики единичного объема (коэффициенты ослабления k, 1/мм, поглощения , 1/мм и рассеяния , 1/мм) также необходимы знания о числовой концентрации N, 1/м3 или массовой концентрации частиц Сm, кг/м3. Для монодисперсных систем используются следующие формулы:

, , , ,

где i1 - интенсивность излучения, поляризованного в направлении, перпендикулярном плоскости рассеяния, а i2 - в плоскости рассеяния. Они определяются как:

, ,

где S1 и S2 - безразмерные комплексные амплитуды, m - комплексный показатель преломления, - параметр дифракции, - угол рассеяния.

Эти амплитуды можно записать в виде сходящихся рядов:

,

.

Коэффициенты an и bn - амплитудные коэффициенты n-ой электрической и n-ой магнитной волн соответственно. Выражения для этих коэффициентов имеют вид:

, ,

где - функции Рикатти-Бесселя, - параметр дифракции, , m - комплексный показатель преломления среды.

Угловые функции и выражаются через полиномы Лежандра:

, .

Для полидисперсных систем коэффициенты ослабления k, поглощения и рассеяния находятся по следующим формулам:

, , , .

Числовая концентрация частиц N вычисляется по формулам:



(для монодисперсных систем);

(для полидисперсных систем)

Чтобы рассчитать радиационные характеристики индивидуальных частиц (сечения ослабления уосл, мкм2, рассеяния урас, мкм2 и поглощения упогл, мкм2), исходными данными будут r, мкм - радиус частиц, m - комплексный показатель преломления и - параметр дифракции. Расчет проводится по следующим формулам:

, , .

Здесь и - безразмерные факторы эффективности, которые выражаются формулами:

, .

Спектральные и интегральные плотности потоков (Fл, Вт/(см2?мкм) и F, Вт/см2) через единицу площади поверхности, перпендикулярной направлению нормали определяются по формулам:

, .

Спектральные и интегральные степени черноты (ел и е) находятся как:

, .

В завершении третьей главы указаны преимущества комплексного расчета перед постадийным: возможность одновременного исследования всех указанных характеристик и решение проблемы на микро- и макроуровнях. Подробная информация о результатах всех этапов вычислительного эксперимента дает возможность ограничиться результатами в каждом конкретном случае для определенных исследований. Таким образом, можно прогнозировать, планировать и интерпретировать физический эксперимент.

В четвертой главе методом вычислительного эксперимента выполнены исследования и проведен анализ характеристик излучения для энергетических установок, для высокоэнергетических установок, для дизелей и газодизелей. Исходные данные для энергетических установок были взяты из [Гильфанов Р.Г. Экспериментальное исследование эмиссионных свойств твердых дисперсных фаз в аэродинамическом потоке энерготехнологических агрегатов: Дисс. … канд. техн. наук. - Казань, 2008. - 131 с.; 1)Кузьмин В.А. Тепловое излучение в двигателях и энергетических установках. - Киров: ООО «Фирма «Полекс», 2004. - 231 с.; 2)Таймаров М.А. Исследование излучательной способности конструкционных материалов и пылегазовых сред применительно к расчету теплообмена в котлах-утилизаторах: Дисс. … докт. техн. наук. - Казань, 1997. - 347 с] и представлены в табл. 4.1.

Таблица 4.1.

Исходные данные для энергетических установок

ЭУ - марка котла (место отбора пробы)	Процесс, место расположения ЭУ	Химический состав образца, % (по массе)	сч, г/см3	rm, мкм
ОКГ-100-3Б (конвективная часть)	Конверторное производство, ЧМЗ	Fe2O3=73.2, CaO=8.5, FeO=7.2, SiO2=2.3, MnO=0.9, ZnO=1.5	3.90	1.23
БКЗ-210-140Ф (циклон)	Сжигание Кузнецкого угля, Казанская ТЭЦ-2	SiO2=58, Al2O3=20, CaO=4, FeO=3 Fe2O3=10, MgO=2, K20=1, Na2O=1	3.60	3.05
БКЗ-210-140	Сжигание Кузнецкого угля, Казанская ТЭЦ-2	SiO2=49, MgO=2.2, Al2O3=25.2, Fe2O3=15, CaO=5.3,	2.43	17.85
КУ-125 (пароперегреватель)	Обжиг доломита, Челябинский металлургический комбинат	MgO=25.6, CaO=24.5, Al2O3=17.8, SiO2=8.8, Fe2O3=7.5, ZnO=4.9	2.68	7.89
УЭЧМ-67 (после печи обжига шамоти)	Семилукский огнеупорный завод	Al2O3=90, SiO2=0.9, Fe2O3=0.7	2.60	8.71
КУ-60 (после печи обжига корунда)	Семилукский огнеупорный завод	Al2O3=96	3.24	11.23
КС-450-ВТКУ (газоход)	Обжиг серного колчедана, Череповецкий комбинат «Аммофос»	Fe=42.7, SiO2=23.3, S=3.6, Al2O3=3.5, Zn=0.8, Cu=0.4	3.80	7.05
ТОП 35/40 (после отражательных печей)	Красноуральский медеплавильный комбинат	SiO2=45, Fe2O3=26, Al2O3=13, CaO=5.5, CuO=4.2, MgO=3	3.30	5.58

Также исходными данными являлись толщина слоя L = 80 мм, массовая доля Z, молярная масса µ, концентрации частиц, давление P = 105 Па, температура T = 850 K и т.п. Спектральный диапазон л=1..5 мкм с шагом 0,1 мкм, чтобы доля максимального излучения попадала в этот диапазон. Также учитывалась газовая фаза. Схема установки представлена на рис. 4.1. В энергетических установках через технологические отверстия вставляются зонды, которые могут перемещаться по объему. В них находятся измерительные приборы. С помощью телескопического устройства выделяется исследуемый объем с указанной толщиной слоя. В этом объеме исследуются радиационные характеристики и характеристики излучения.



Рис. 4.1. Схема энергоустановки

Результаты вычислений представлены в табличной и графической форме. Графическая форма представления удобна тем, что обладает наглядностью, можно отследить качественный характер зависимости, но когда требуются количественные данные, то удобно воспользоваться табличной формой представления.

Исследования были проведены для всех энергетических установок табл. 4.1. В качестве примера на рис. 4.2 представлены графические зависимости характеристик излучения от длины волны для гетерогенных продуктов сгорания установки БКЗ-210-140Ф.

Значения сечений ослабления, поглощения и рассеяния с увеличением длины волны возрастают. Максимальные значения сечений ослабления, поглощения и рассеяния 18,5543 мкм2, 0,2732 мкм2 и 18,2811 мкм2 соответственно при длине волны 4,0 мкм.

Рис. 4.2. Спектральное распределение плотности потока и спектральная зависимость степени черноты от длины волны.

Из полученных зависимостей видно, что спектральная зависимость степени черноты изменяется в пределах от до , а спектральное распределение плотности потока - в пределах от до Вт/(см2?мкм). С уменьшением температуры усиливаются полосы поглощения газовой фазы. С увеличением температуры гетерогенных продуктов сгорания максимум излучения смещается в сторону коротких длин волн за счет излучения частиц.

К высокоэнергетическим установкам относятся различного рода двигатели летательных аппаратов: жидкостные ракетные двигатели (ЖРД), воздушные ракетные двигатели (ВРД), ракетные двигатели на твердом топливе (РДТТ), а также газотурбинные двигатели (ГТД). В работе проводились исследования для модельных ракетных двигателей. Исходные данные были взяты из работы Кузьмина В.А.1) и представлены в табл. 4.2. и 4.3. Схема камеры сгорания и среза сопла РДТТ представлена на рис. 4.3. Выделялся исследуемый объем с указанной толщиной слоя при заданной температуре, в котором вычислялись радиационные характеристики и характеристики излучения. В частности, при температуре 3250 К в камере сгорания исследуемый объем находился в ядре камеры сгорания.

Таблица 4.2. Исходные данные для микродвигателей (модельных ракетных двигателей)

Толщина слоя L, мм	10; 20; 50; 60; 80
Коэффициент a для f(r)	1,642
Коэффициент b для f(r)	1,11
Давление P, кгс/см2	1,0	40,0
Температура T, К	2320	3173
Молярная масса м, г/моль	36,5
Массовая доля, Z	0,283
Интервал длин волн л, мкм	0,2..5,0
Шаг Дл, мкм	0,2
Максимальный радиус частиц r, мкм	5,0



Рис. 4.3. Схема камеры сгорания и среза сопла РДТТ

Под микродвигателем понимался модельный ракетный двигатель. Результаты представлены для давления P = 105 Па, температуры T = 2320 K, толщины слоя L = 50 мм.

На рис. 4.4 представлены графические зависимости характеристик излучения от длины волны для микродвигателя.

Рис. 4.4. Спектральное распределение плотности потока и спектральная зависимость степени черноты от длины волны

Анализ результатов позволил сделать следующие выводы: спектральные распределения имеют сплошной, ярко выраженный характер при отсутствии газовой фазы, т.к. излучают в основном, частицы; при повышении температуры максимум излучения смещается в область коротких длин волн в соответствии с законом смещения Вина. Начиная с оптической толщины слоя , плотность потока и степень черноты не зависят от оптической толщины слоя.

Таблица 4.3. Исходные данные для модельных ракетных двигателей (для камеры сгорания и среза сопла)

Камера сгорания	Срез сопла
Функция распределения частиц конденсата по размерам
Диаметр камеры dк, мм	260	Диаметр среза сопла dс, мм	80
Коэффициент a для f(r)	3,0	Коэффициент a для f(r)	1,6
Коэффициент b для f(r)	0,6	Коэффициент b для f(r)	2,0
Давление Pк, кгс/см2	40,7	Давление Pс, кгс/см2	1,0
Температура конденсата Tк, К	3250	Температура конденсата Tс, К	2625
Температура газовой фазы Tгк, К	3150	Температура газовой фазы Tгс, К	2500
Молярная масса м, г/моль	26
Массовая доля, Z	0,050
Интервал длин волн лк,мкм	0,3..6,0	Интервал длин волн лс, мкм	1,0..6,0
Шаг Длк, мкм	0,2	Шаг Длс, мкм	0,2
Макс. радиус частиц в камере rк, мкм	2,7	Макс. радиус частиц на срезе сопла rс, мкм	7,0
Массовая доля H2O	0,392
Массовая доля CO	0,193
Массовая доля CO2	0,119

На рис. 4.5 представлены графические зависимости характеристик излучения для модельного двигателя. Исследования приведены для камеры сгорания и для среза сопла.

Приведенные зависимости показывают, что для камеры сгорания характерно сплошное излучение. Газовая фаза проявляется в инфракрасной области. Это видно по степени черноты. На срезе сопла характерно селективное излучение, сильно проявляется газовая фаза.

Математическое моделирование характеристик излучения двигателей представляет высокий практический интерес при прогнозировании работы двигателей и улучшения их показателей. Двигатели внутреннего сгорания - самый распространенный тип энергетических установок, которые используются в работе автотранспорта и сельхозтехники. Сажа - одно из наиболее токсичных и вредных составляющих отработавших газов в дизелях. Даже небольшое ее содержание в двигателях при сжигании топлива значительно усиливает тепловое излучение продуктов сгорания. На рис. 4.6 представлен пример индикаторной диаграммы дизеля и схема цилиндра дизеля. Исследования проводились в камере сгорания по направлению, перпендикулярному стенке цилиндра дизеля или газодизеля.

Рис. 4.5. Спектральное распределение плотности потока и спектральная зависимость степени черноты от длины волны

Исходные данные, для исследования характеристик излучения дизеля с турбонаддувом 4 ЧН 11,0/12,5, были взяты из [Лиханов В.А., Мохнаткин В.Г., Россохин А.В. Исследование процессов образования и выгорания сажи в цилиндре дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 при работе на природном газе: Монография. - Киров: Вятская ГСХА, 2006. - 124 с] и представлены в табл. 4.4. Распределение частиц сажи по размерам в цилиндре дизеля описывается зависимостью:



где rm=0,02 мкм - модальный радиус.

При разных углах поворота коленчатого вала (п.к.в.) изменялись температура и давление.

Рис. 4.6. Индикаторная диаграмма дизеля

Таблица 4.4.

Исходные данные для частиц сажи в цилиндре дизеля

	Угол поворота коленчатого вала ц, є
	5	10	15	20	40	60	80	100
Температура T, K	1700	2050	2100	2080	1900	1770	1640	1530
Давление p, МПа	9	10,2	8,8	7,2	3,8	2	1,2	1,0
Плотность частиц с, г/см3	1,9
Массовая доля Z	1/15 = 0,067
Молярная масса м, г/моль	198
Толщина слоя L, мм	38
Массовая доля H2O	0,05
Массовая доля CO	4,7*10-4
Массовая доля CO2	0,08

На рис. 4.7 представлены зависимости характеристик излучения от длины волны для дизеля при угле п.к.в. ц = 15є. На рис. 4.8 представлены графические зависимости интегральной степени черноты и интегральной плотности потока от угла п.к.в. дизеля.

Рис. 4.7. Спектральное распределение плотности потока и спектральная зависимость степени черноты от длины волны при угле п.к.в. ц = 15є, T = 2100 К, P = 8,8 МПа.

Рис. 4.8. Зависимость интегральной плотности потока и интегральной степени черноты от угла п.к.в. дизеля.

Из графиков видно, что спектральная степень черноты убывает с увеличением длины волны, а ее значение изменяется в пределах от до при угле п.к.в. дизеля ц = 15є. Спектральное распределение плотности потока повторяет по характеру функцию Планка, его абсолютное значение изменяется в пределах от 1,35 до Вт/(см2?мкм) при угле п.к.в. ц = 15є. Максимальные значения достигаются при длине волны 1,3 мкм при угле п.к.в. дизеля ц = 15є.

Зависимости интегральной степени черноты и интегральной плотности потока повторяют по характеру функцию Планка. Абсолютное значение интегральной степени черноты изменяется в пределах от до . Максимум достигается при угле п.к.в. дизеля ц = 10є. Абсолютное значение интегральной плотности потока изменяется в пределах от до Вт/см2. Максимум достигается при угле п.к.в. дизеля ц = 15є.

Полученные зависимости позволяют судить о вкладе различных термо- и газодинамических параметров (длина волны, температура, давление, состав, функция распределения, концентрация) на сечения и коэффициенты, на плотности потоков и степень черноты газовой и конденсированной сред в различных участках спектра.

Такая подробная информация о результатах всех этапов расчетов дает возможность ограничиться результатами в каждом конкретном случае для определенных исследований: в области теплообмена (плотности потоков, степень черноты), в спектроскопии (коэффициенты и сечения), для определения функции распределения f(r), показателя преломления n1, показателя поглощения n2 при решении обратных задач.

Анализ результатов показал, что нельзя пренебрегать селективностью излучения ГПС и недопустимо использование серого приближения в большинстве расчетов теплового излучения.

В завершении четвертой главы указаны возможности метода математического моделирования для прогнозирования, планирования физического эксперимента и интерпретации экспериментальных результатов.

Пятая глава. Достоверность полученных результатов проводится сравнительным анализом результатов вычислительного эксперимента по комплексному исследованию радиационных характеристик и характеристик излучения энергетических установок, высокоэнергетических установок, дизелей с результатами работ А.Г. Блоха, М.А. Таймарова, В.А. Кузьмина, Р.З. Кавтарадзе.

Для энергетических установок один из примеров сравнения полученных результатов с опубликованными данными - котел-утилизатор КС-450-ВТКУ [Таймаров М.А.2)]. Исследования проводились для двух температур 1030 К и 1240 К. Спектральный интервал длин волн л = 2,5…5,5 мкм. Функция распределения частиц по размерам:

где rn - медианный радиус; у - среднеквадратическое отклонение, которое вычисляется из формулы , где rm - модальный радиус частиц. Для данного котла-утилизатора rn = 8,5 мкм, rm = 7,05 мкм, у = 1,927 мкм.

Аналитическое представление показателя преломления n1 и показателя поглощения n2:

На рис. 5.1 представлены зависимости коэффициентов n1 и n2 в интервале длин волн 2,4…11 мкм. На рис. 5.2 представлены графические зависимости плотности потока падающего излучения от длины волны, полученные в результате исследований в данной работе и в результате расчетов, проведенных М.А. Таймаровым.



Рис. 5.1. Оптические константы для котла-утилизатора КС-450-ВТКУ.

Рис. 5.2. Спектральное распределение плотности потока падающего излучения (результаты, полученные в настоящей работе и в работе М.А. Таймарова).

Из рис. 5.2 видно, что полученные зависимости практически совпадают, максимальная абсолютная погрешность вычислений составляет 5% для температуры 1240 К и 7% - для 1030 К.

Несмотря на то, что результатов вычислений по дизелям и газодизелям достаточно в работах авторов М.В. Страдомского, Е.А. Максимова, В.А. Лиханова, Р.З. Кавтарадзе и др., но, анализируя их работы, нельзя точно воспроизвести полученные ими экспериментальные результаты, в виду того, что отсутствует большое количество исходных данных: радиусы частиц, температуры, давления, толщина слоя, молярная масса и т.п. Поэтому сделать количественный анализ результатов не представляется возможным, можно провести лишь качественное сравнение результатов. Сравнение результатов проведенных исследований с опубликованными данными по дизелям проводилось с работой Р.З. Кавтарадзе [3)Кавтарадзе Р.З. Локальный теплообмен в поршневых двигателях: Учеб. пособие для вузов. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. - 592 с.], где частицы сажи имеют сферическую форму, размеры частиц составляют 0,01…0,1 мкм.

На рис. 5.3 и 5.4 представлено качественное сравнение графических зависимостей интегральных плотностей потока и интегральных степеней черноты от угла поворота коленчатого вала двигателя 6 VD 48/42, указанных в работе [Кавтарадзе Р.З.3)] и интегральных плотностей потока от угла поворота коленчатого вала, полученных в результате проведенных исследований.

Рис. 5.3. Интегральные плотности потока от угла п.к.в. (результаты настоящей работы и результаты, указанные в работе Р.З. Кавтарадзе).

Рис. 5.4. Интегральные степени черноты от угла п.к.в. (результаты настоящей работы и результаты, указанные в работе Р.З. Кавтарадзе).

Из рис. 5.3 и 5.4 видно, что кривые практически совпадают. Отличаются зависимости по абсолютным значениям, т.к. не все исходные данные указаны в работе [Кавтарадзе Р.З.3)] и воспроизвести точные значения расчетов его работы не представляется возможным.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Основные результаты, полученные в диссертационной работе, заключаются в следующем:

1. Организована технология и создана методика вычислительного эксперимента по комплексному исследованию радиационных характеристик и характеристик излучения продуктов сгорания различных промышленных и энергетических установок, высокоэнергетических установок, дизелей и газодизелей;

2. Методом вычислительного эксперимента проведены исследования радиационных характеристик и характеристик излучения продуктов сгорания для восьми энерготехнологических агрегатов, ракетных двигателей, дизелей и газодизелей при разных режимах работы установок (изменялась температура, давление, спектральный диапазон длин волн, толщина слоя и т.п.);

3. Проведенные исследования позволяют судить о влиянии определяющих факторов и параметров на характеристики излучения газовой и конденсированной сред в различных участках спектра. Присутствие газовой фазы в продуктах сгорания энергетических установок приводит к селективности излучения, вследствие чего неоправданно использование серого приближения в расчетах теплового излучения. Снижение токсичности продуктов сгорания в газодизеле приводит к понижению содержания сажи и уменьшению доли лучистого теплообмена до 4 раз, что ведет к уменьшению теплонапряженности двигателя и меньшему износу цилиндро-поршневой группы;

4. Показана универсальность методики вычислительного эксперимента по исследованию радиационных характеристик и характеристик излучения гетерогенных продуктов сгорания различных энергетических установок;

5. Проведено сравнение результатов вычислительного эксперимента по комплексному исследованию радиационных характеристик и характеристик излучения гетерогенных продуктов сгорания в различных энергетических установках с литературными расчетными и экспериментальными данными:

- Для энергетических установок для золы кузнецкого угля максимальная относительная погрешность составляет 6% при длине волны л = 3,4 мкм. Относительная погрешность вычислений для котла-утилизатора КС-450-ВТКУ составляет 5% для температуры 1240 К при длине волны л = 2,5 мкм и 7% для температуры 1030 К длине волны л = 3,0 мкм.

- Для высокоэнергетических установок зависимости коэффициентов ослабления и поглощения, спектральной плотности потока и спектральной степени черноты от длины волны имеют одинаковый характер, относительная погрешность вычислений составляет до 2%.

- Для двигателя 6 VD 48/42 качественные зависимости характеристик излучения практически совпадают, отличаются количественными значениям.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Кутергина Н.А. Комплексный расчет характеристик излучения и радиационных характеристик в энергетических установках / Кузьмин В.А., Кутергина Н.А. // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2011. №3-4. С. 41-48.

Тезисы в сборниках и материалах научных конференций:

2. Кутергина Н.А. Моделирование теплового излучения и радиационных характеристик дисперсных систем и гетерогенных продуктов сгорания энергетических установок // Сборник тезисов, материалы Четырнадцатой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-14): материалы конференции, тезисы докладов: В 1 т. Т.1. - Екатеринбург - Уфа, издательство АСФ России, 2008 - С. 554-555.

3. Кутергина Н.А. Адаптация программ «SPEKTR» и «CARBON» в условиях нового математического обеспечения. Соответствие элементов базового фортрана его новым версиям / Кутергина Н.А., Маратканова Е.И., Кузьмин В.А. // ВСЕРОССИЙСКАЯ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ «Наука - производство - технологии - экология»: Сборник материалов: В 7 т. Т.3. ЭТФ/ Киров: Изд-во ВятГУ, 2008 - С. 185-186.

4. Кутергина Н.А. Современное состояние теории теплового излучения и численного моделирования радиационных характеристик // ВСЕРОССИЙСКАЯ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ «Наука - производство - технологии - экология»: Сборник материалов: В 7 т. Т.7. ГФ/ Киров: Изд-во ВятГУ, 2008 - С. 347-348.

5. Kutergina N. DER MODERNE ZUSTAND DER THEORIE DER THERMISCHEN AUSSTRAHLUNG UND DER MATHEMATISCHEN MODELLIERUNG DER STRAHLUNGSCHARAKTERISTIKEN // ВСЕРОССИЙСКАЯ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ «Наука - производство - технологии - экология»: Сборник материалов: В 7 т. Т.7. ГФ/ Киров: Изд-во ВятГУ, 2008 - С. 349-350.

6. Кутергина Н.А. Моделирование характеристик излучения и радиационных характеристик дисперсных систем энергетических установок // Сборник тезисов, материалы Пятнадцатой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-15): материалы конференции, тезисы докладов: В 1 т. Т.1. - Екатеринбург - Кемерово, издательство АСФ России, 2009 - С. 663-664.

7. Кутергина Н.А. Характеристики излучения дисперсных систем и гетерогенных продуктов сгорания энергетических установок / Кутергина Н.А., Кузьмин В.А. // ВСЕРОССИЙСКАЯ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ «Наука - производство - технологии - экология»: Сборник материалов: В 3 т. Т.1 (ФАВТ, ФПМТ, ЭТФ) / Киров: Изд-во ВятГУ, 2009 - С.249-252.

8. Кутергина Н.А. Численное моделирование характеристик излучения и радиационных характеристик дисперсных систем и гетерогенных продуктов сгорания энергетических установок / Кутергина Н.А., Кузьмин В.А. // Улучшение эксплуатационных показателей двигателей внутреннего сгорания. Материалы II Международной научно-практической конференции «Наука - Технология - Ресурсосбережение»: Сборник научных трудов. - СПб. - Киров: Российская Академия Транспорта - Вятская ГСХА, 2009. - Вып.7. - С. 39-43.

9. Кутергина Н.А. Численное моделирование характеристик излучения действующих энергетических установок // Сборник тезисов, материалы Шестнадцатой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-16): материалы конференции: В 1 т. - Т.1. - Екатеринбург; Волгоград: Издательство АСФ России, 2010. - 836с., C. 670-671.

10. Кутергина Н.А. Вычисление радиационных характеристик и характеристик излучения для некоторых действующих технологических агрегатов / Кутергина Н.А., Кузьмин В.А. // ВСЕРОССИЙСКАЯ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ «ОБЩЕСТВО - НАУКА - ИННОВАЦИИ»: Сборник материалов: В 4 т. Т.2 (ФАВТ, ФПМТ, ЭТФ) / Киров: Изд-во ГОУ ВПО «ВятГУ», 2010. - С. 307-310.

11. Кутергина Н.А. Расчет характеристик излучения и радиационных характеристик для различных групп частиц энергетических установок / Кутергина Н.А., Кузьмин В.А. //Материалы Международной молодежной научной конференции «XVIII Туполевские чтения»: Сборник материалов конференции. Т.2: Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2010 -С. 79-81.

12. Кутергина Н.А. Расчет характеристик излучения дисперсных сред в энерготехнологических агрегатах // Материалы Шестой летней межрегиональной школы физиков (ЛМШФ-6): Материалы школы, тезисы докладов и лекций: В 1 т. - Т.1. - Екатеринбург: изд-во АСФ России, 2010. - С. 113-116.

13. Кутергина Н.А. Расчет характеристик излучения и радиационных характеристик в энерготехнологических агрегатах / Кузьмин В.А., Маратканова Е.И., Кутергина Н.А. // Труды пятой Российской национальной конференции по теплообмену: Сборник научных трудов. В 8 томах. Т.6 - М: Изд. дом МЭИ, 2010. - С. 219-222.

14. Кутергина Н.А. Характеристики излучения продуктов сгорания промышленных и энергетических установок // Тезисы докладов Одиннадцатой Всероссийской молодежной школы-семинара по проблемам физики конденсированного состояния вещества (СПФКС-11) / Екатеринбург: Типогр. «Ур. центр академич. обслуживания», 2010. - С. 192.

15. Кутергина Н.А. Характеристики излучения полидисперсного облака частиц энергетических установок // Сборник тезисов, материалы Семнадцатой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-17): материалы конференции, тезисы докладов: В 1 т. Т.1. - Екатеринбург: Издательство АСФ России, 2011. - 690 с., С. 676-677.

16. Кутергина Н.А. Численное моделирование радиационных характеристик и характеристик излучения энергетических установок / Кутергина Н.А., Кузьмин В.А. // Сборник научных трудов Международной молодежной научной конференции «XXXVII Гагаринские чтения». В 8 т.; Т. 5. - М.: МАТИ, 2011. - 240 с., С. 107-109.

17. Кутергина Н.А. Радиационные характеристики и характеристик излучения моно- и полидисперсных систем частиц энергетических установок / Кутергина Н.А., Кузьмин В.А. // Материалы докладов VI Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» / Под общ. ред. д-ра физ-мат. наук, проф. Ю.Я. Петрушенко. В 4 т.; Т. 2. - Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2011. - 239 с., С. 216.

18. Кутергина Н.А. Вычисление радиационных характеристик и характеристик излучения частиц для установки КС-450-ВТКУ [Электронный ресурс] / Кузьмин В.А., Маратканова Е.И., Кутергина Н.А. // Общество, наука, инновации (НТК-2011): ежегод. открыт. всерос. науч.-технич. конф., 18-29 апр. 2011.: сб. материалов / Вят. гос. ун-т; отв. ред. С.Г. Литвинец. - Киров, 2011. - 1 электрон. опт. диск (CD-ROM) / (Электротехнический факультет. Секция "Физика и теплотехника". Статья № 2).

19. Кутергина Н.А. Исследование характеристик излучения микродвигателей / Кузьмин В.А., Кутергина Н.А. // Сборник материалов XXXI Всероссийской конференции «Наука и технологии»: Сборник материалов конференции. - Миасс: МСНТ, 2011. - 254с., С. 74-76.

Размещено на Allbest.ru

...