Закономерности смесеобразования в эшелонированных решетках плоских стабилизаторов пламени

Размещено на http://www.allbest.ru/

Закономерности смесеобразования в эшелонированных решетках плоских стабилизаторов пламени

Н.М. Фиалка, В.Г. Прокопов, Ю.В. Шеренковский,

С.А. Алешко, Н.П. Полозенко, Л.С. Бутовский, М.З. Абдулин,

А.В. Клищ, В.С. Новицкий, А.А. Евтушенко

Аннотация

УДК 536.24:533

Проф. Н.М. Фиалка Институт технической теплофизики НАН Украины, г. Киев;, чл. -кор. 'НАН Украины, д-р техн. наук; вед. науч. сотр. В.Г. Прокопов 1, д-р техн. наук, ст науч. сотр.; вед. науч. сотр. Ю.В. Шеренковский ¹, канд. техн. наук; ст науч. сотр. С.А. Алешко 1, канд. техн. наук; науч. сотр. Н.П. Полозенко ¹; доц. Л.С. Бутовский Национальный технический университет Украины "КПИ", г. Киев., канд. техн. наук; ст науч. сотр. М.З. Абдулин ¹, канд. техн. наук; аспир. А.В. Клищ ¹; мл. науч. сотр. В.С. Новицкий ¹; мл. науч. сотр. А.А. Евтушенко ¹.

Приведены результаты математического моделирования процессов смесеобразования топлива и окислителя в микрофакельных горелочных устройствах с эшелонированным расположением стабилизаторов пламени. Для лестнично-эшелонированной решетки, состоящей из трех стабилизаторов, рассмотрены особенности полей концентраций метана в исследуемом горелочном устройстве, проанализирована их обусловленность структурой течения горючей смеси и освещена специфика данной структуры. Особое внимание уделено сравнительному анализу картины смесеобразования в зонах, которые отвечают стабилизаторам, различным образом смещенным вниз по потоку.

Ключевые слова: смесеобразование; эшелонированная решетка стабилизаторов пламени; микрофакельное горелочное устройство; математическое моделирование; поля концентраций; структуры течения; зоны обратных токов.

Анотація

Закономірності сумішоутворення в ешелонованих решітках плоских стабілізаторів полум'я

Фіалко Н.М., Прокопов В.Г., Шеренковський Ю.В., Альошко С.О., Полозенко Н.П., Бутовський Л.С., Абдулін М.З., Кліщ А.В., Новіцький В.С., Евтушенко А.О.

Наведено результати математичного моделювання процесів сумішоутворення палива та окисника в мікрофакельних пальникових пристроях з ешелонованим розташуванням стабілізаторів полум'я. Для сходинко-ешелонованої решітки, що складається з трьох стабілізаторів, розглянуто особливості полів концентрацій метану в досліджуваному пальниковому пристрої, проаналізовано їх обумовленість структурою течії горючої суміші і висвітлено специфіку цієї структури. Особливу увагу приділено порівняльному аналізу картини сумішоутворення в зонах, які відповідають стабілізаторам, різним чином зміщеним вниз за потоком.

Ключові слова: сумішоутворення; ешелонована решітка стабілізаторів полум'я; мікрофакельний пальниковий пристрій; математичне моделювання; поля концентрацій; структури течії; зони зворотних токів.

Annotation

Carburation behavior in echelon grates of flat flame stabilizers

Fialko N.M., Prokopov V.G., Sherenkovsky Y.V., Alyoshko S.O., Polozenko N.P., Butovsky L.S., Abdulin M.Z., Klishch A.V., Novitsky V.S., Evtushenko A.A.

The results of mathematical modeling of the mixing of fuel and oxidizer in microjet burner devices with echeloned location of flame stabilizers are presented. The features of methane concentration fields in the test burner device are considered for the stair echelon grate, which consist of three stabilizers, dependence of these fields from flow structure of the combustible mixture are analyzed and specific of this structure is discoursed. Particular attention is paid to the comparative analysis in the areas of pattern mixing, which are corresponding to variously shifted downstream stabilizers.

Key words: carburation; echelon grate of flame stabilizers; microjet burner device; mathematical modeling; concentration fields; flow structure; zone of reverse currents.

Введение

Рациональная организация смесеобразования в микрофакельных горелочных устройствах является, как известно, необходимым условием эффективного сжигания топлива. Такие горелочные устройства базируются на многоструйном принципе смесеобразования, реализация которого позволяет обеспечивать требуемую степень смешения топлива и окислителя.

Табл. Расход воздуха в каналах решетки стабилизаторов пламени, м³/час

В этой работе исследовано математическое моделирование основных особенностей процессов смесеобразования в микрофакельных горелках с эшелонированными решетками стабилизаторов пламени. Актуальность изучения процессов переноса в указанных условиях обусловлена тем обстоятельством, что эшелонирование стабилизаторов пламени относится к важным факторам воздействия на организацию процесса горения [1-6].

Основные результаты исследования

Закономерности смесеобразования, как известно, в большой мере определяются структурой течения топлива и окислителя. Согласно результатам проведенных исследований данная структура в рассматриваемой ситуации характеризуется следующими основными особенностями:

* повышением скорости в межстабилизаторных и пристеночных каналах ввиду стеснения потока в стабилизаторной решетке;

* развитием струй газа в сносящем потоке окислителя;

* наличием зон обратных токов в закормовых областях стабилизаторов;

* выравниванием эпюр скорости при удалении от решетки вниз по потоку;

* перераспределением расходов воздуха в межстабилизаторных и пристеночных каналах эшелонированной решетки по сравнению с соответствующей неэшелонированной решеткой.

Что касается последней из указанных особенностей, то при неэшелонированном расположении стабилизаторов расходы воздуха в межстабилизаторных каналах (каналы В и С на рис. 1) равны между собой.

Рис. 1. К постановке задачи для эшелонированной решетки стабилизаторов: 1, 2, 3 - первый, второй и третий стабилизаторы пламени; А, D - пристеночные каналы; B, C - межстабилизаторные каналы

Одинаковыми являются также и расходы воздуха в пристеночных каналах (каналы А и D на рис. 1). В случае же эшелонированной решетки стабилизаторов происходит определенное перераспределение указанных расходов по сравнению с ситуацией, отвечающей расположению торцов стабилизаторов в одной плоскости. При этом расход воздуха в пристеночном канале А оказывается заметно выше расхода в пристеночном канале D, а расход в межстабилизаторном канале В между первым и вторым стабилизатором несколько превышает расход в канале С между вторым и третьим стабилизатором. (Полученные данные о величинах указанных расходов для эшелонированной решетки стабилизаторов приведены в табл.)

Перейдем далее к анализу результатов компьютерного моделирования собственно процессов смесеобразования в рассматриваемой физической ситуации. Согласно полученным данным в зонах циркуляционного течения в ближнем следе всех стабилизаторов имеет место высокая степень смешения газовой струи с воздухом, так что вся горючая смесь находится в концентрационных пределах воспламенения.

Рис. 2. Поля объемной концентрации метана в продольном сечении эшелонированной решетки стабилизаторов пламени, проходящем через ось газоподающих отверстий (а) и посредине между ними (б)

За указанными зонами вниз по потоку концентрации метана оказываются наименьшими для первого стабилизатора, несколько большими - для второго и наименьшими - для третьего. Отмеченная закономерность соответствует описанному выше распределению расходов воздуха в каналах эшелонированной решетки стабилизаторов. Зоны с избытком газа, как видно из рис. 2, охватывают газовые струи, омываемые сносящим потоком воздуха. Причем размеры данных зон сравнительно невелики и уменьшаются в направлении от оси струи к межструйному пространству.

Что же касается зон с повышенным содержанием воздуха, то они располагаются вблизи осей межстабилизаторных каналов, а также возле стенок горелочного устройства. Указанные зоны при удалении вниз по потоку сужаются и на некотором расстоянии от стабилизаторной решетки исчезают. При этом протяженность зон, прилежащих к стенкам горелочного устройства, оказывается несколько выше (см. рис. 2).

Как свидетельствуют результаты выполненных исследований, длины зон с повышенным содержанием воздуха вблизи осей межстабилизаторных каналов соотносятся между собой следующим образом. Данная длина, отвечающая межстабилизаторному каналу В, превышает таковую для канала С примерно на 0,1 м или на 20 % (здесь указанная длина отсчитывается от торца нижнего стабилизатора соответствующего межстабилизаторного канала). Как очевидно, это связано с заметно большим расходом воздуха в канале В по сравнению с его величиной для канала С (см. табл.).

Относительно пристеночных зон с повышенным содержанием воздуха, то для канала D данная зона существенно короче, чем для канала А, что обусловлено меньшим расходом воздуха в канале D.

математическое смесеобразование микрофакельное эшелонированное

Выводы

1. На основе математического моделирования получены данные об основных особенностях процессов смесеобразования топлива и окислителя в микрофакельных горелочных устройствах с эшелонированным расположением стабилизаторов пламени.

2. Выполнен анализ полей концентрации метана в рассматриваемом горелочном устройстве и установлено их соответствие картине течения топлива, окислителя и горючей смеси.

3. Проведено сопоставление закономерностей смесеобразования в зонах, прилежащих к отдельным стабилизаторам, и показано, что данные закономерности в большой мере определяются особенностями перераспределения расходов воздуха в каналах эшелонированной решетки стабилизаторов пламени.

Литература

1. Фиалко Н.М. Моделирование структуры течения изотермического потока в эшелонированной решетке плоских стабилизаторов пламени / Н.М. Фиалко, В.Г. Прокопов, Л.С. Бутовский и др. // Промышленная теплотехника. - 2010. - № 6. - С. 28-36.

2. Фиалко Н.М. Особенности течения топлива и окислителя при эшелонированном расположении стабилизаторов пламени / Н.М. Фиалко, В.Г. Прокопов, Л.С. Бутовский и др. // Промышленная теплотехника. - 2011. - № 2. - С. 59-64.

3. Баламаджи І.І. Компьютерное моделирование течения топлива и окислителя в горелочных устройствах с эшелонированным расположением стабилизаторов пламени / І.І. Баламаджи, Н.М. Фіалко, Н.О. Меранова // Сучасні проблеми наукового забезпечення енергетики: тези доповідей 9-ої Міжнар. наук. -практ. конф. аспірантів, магістрантів і студентів, Київ, 18-22 квітня 2011. - С. 127.

4. Жердочкин А.В. Особенности обтекания эшелонированной решетки плоских стабилизаторов пламени / А.В. Жердочкин, Н.М. Фиалко, Н.П. Полозенко // Сучасні проблеми наукового забезпечення енергетики: тези доповідей 9-ої Міжнар. наук. -практ. конф. аспірантів, магістрантів і студентів, Київ, 18-22 квітня, 2011. - С. 143.

5. Фиалко Н.М. Особенности смесеобразования при эшелонированном расположении стабилизаторов пламени в микрофакельных горелочных устройствах / Н.М. Фиалко, Ю.В. Шеренковский, В.Г. Прокопов и др. // Проблемы экологии и эксплуатации объектов енергетики: матер. ХХІ межд. конф., 7-11 июня 2011 г., Ялта-Киев, 2011. - С. 167-170.

6. Раушенбах Б.В. Физические основы рабочего процесса в камерах сгорания воздушно-реактивных двигателей / Б.В. Раушенбах, С.А. Белый, И.В. Беспалов и др. // М.: Изд-во Машиностроение, 1964. - 526 с.

Размещено на Allbest.ru