Реферат: Вихревые горелки

8. Горение в закрученном потоке 25

9. Пределы срыва и устойчивость пламени 28

10. Проектирование вихревых горелок 29

11. Список использованной литературы 31

1. ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗАКРУЧЕННЫХ ПОТОКОВ

Сильное влияние закрутки на инертные и реагирующие течения хорошо известно и изучается на протяжении многих лет. Когда эффект закрутки оказывается полезным, конструктор старается создать закрутку, наиболее подходящую для решения его задач; если же подобные эффекты нежелательны, конструктор предпринимает усилия для регулирования или устранения закрутки. Закрученные течения имеют широкий диапазон приложений. В случае отсутствия химических реакций сюда относятся, например, течения в вихревых реакторах, циклонных сепараторах и трубах Ранка - Хилша, при срыве вихревой пелены с крыльев самолета, в водоворотах и торнадо, в устройствах для распыления аэрозолей в сельском хозяйстве, в теплообменниках, струйных насосах, а также теория бумеранга и полета пчелы. В течениях с горением широко используется сильное благоприятное влияние закрутки инжектируемых воздуха и горючего на улучшение стабилизации высокоинтенсивных процессов горения и при организации эффективного чистого сгорания во многих практических устройствах: в бензиновых и дизельных двигателях, в газовых турбинах, промышленных печах, бойлерах и других технических нагревательных аппаратах. В последнее время усилия исследователей были направлены на понимание и описание аэродинамики закрученных течений с процессами горения газообразных, жидких и твердых топлив. Экономичное конструирование и экологичность работы технических устройств с горением могут быть значительно улучшены дополнительными экспериментами и модельными исследованиями. При этом экспериментальная и теоретическая аэродинамика течений с горением используется вместе со сложными методами вычислительной гидродинамики. Развитие и совершенствование этих методов позволят значительно снизить затраты времени и средств на программы развития новых устройств.

Закрученные течения являются результатом сообщения потоку спирального движения с помощью закручивающих лопаток, при использовании генераторов закрутки с осевым и тангенциальным подводом или прямой закруткой путем тангенциальной подачи в камеру с формированием окружной компоненты скорости (называемой также тангенциальной или азимутальной компонентой скорости). Экспериментальные исследования показывают, что закрутка оказывает крупномасштабное влияние на поле течения: на расширение струи, процессы подмешивания и затухания скорости в струе (в случае инертных струй), на размеры, форму и устойчивость пламени и интенсивность горения (в случае реагирующих потоков). На все эти характеристики влияет интенсивность закрутки потока. Интенсивность закрутки обычно характеризуется параметром закрутки, представляющим собой безразмерное отношение осевой компоненты потока момента количества движения к произведению осевой компоненты потока количества движения и эквивалентного радиуса сопла, т. е.

(1.1),

где величина

(1.2)

является потоком момента количества движения в осевом направлении и учитывает вклад х - q-компоненты турбулентного сдвигового напряжения; а величина

(1.3)

является потоком количества движения в осевом направлении и учитывает вклад турбулентного нормального напряжения и давления (осевая тяга), d/2— радиус сопла, и, v, ω - компоненты скорости в направлении осей х, r, q цилиндрической системы координат.

В свободной струе, распространяющейся в затопленном пространстве, величины G_х и G_q постоянны, т. е. являются инвариантами для данной струи.

Если использовать уравнение для количества движения в радиальном направлении и пренебречь слагаемыми , то вклад давления в G_x можно выразить через ω следующим образом:

(1.4).

Эту характеристику зачастую трудно измерить с хорошей точностью, поэтому используются альтернативные упрощенные ва­рианты. Иногда величину S рассчитывают без учета турбулент­ных напряжений, иногда пренебрегают вкладом давления. В этих случаях величины G_q и G_х при смещении вниз по по­току не сохраняются.

Рассмотрим сначала случай, когда поток закручен как це­лое на выходе из сопла, т.е.

, .

Иными словами, профиль осевой скорости и считается равно­мерным, а скорость закрутки ω возрастает от 0 (при r=0) до ω_{m 0} (при r=d/2, т.е. на стенке сопла). Если вклад давле­ния в G_х сводится к учету слагаемого ω² /2, а турбулентными напряжениями пренебрегают, то это дает

, ,

где G_х =ω_{m 0} /u_m0 - отношение максимальных скоростей в вы­ходном сечении сопла. Таким образом, параметр закрутки S может быть представлен в виде

(1.5),

где связь S и G проиллюстрирована на рис.1.1, где также приведены экспериментальные значения измеренных независимо величин S и G. Соотношение S ~ G для вращения газа как целого правдоподобно описывает реальный случай истечения из генератора закрутки при G < 0,4 (S» 0,2). Однако при более интенсивности закрутки распределение осевой скорости значительно отклоняется от равномерного; большая часть потока выходит из отверстия вблизи внешней кромки; в качестве примера на рис.1.2 приведены распределения осевой, окружной и радиальной скоростей в кольцевом выходном сече­нии генератора закрутки с тангенциальным и осевым подводом, полученные экспериментально при нескольких значениях параметра закрутки. Указанная теоретическая зависимость

Рис.1.1. Соотношение между параметрами S и G, характеризующими закрутку.

Рис. 1.2. Радиальные распределения осевой, окружной и радиальной скоростей на выходе из закручивающего устройства со смешанной тангенциально-осевой подачей, демонстрирующие влияние изменения степени закрутки :

а — осевая скорость; б — окружная скорость; в — радиальная скорость.

S ~ G дает в этом случае заниженные значения S при задан­ных значениях G, так что фактически более реальным оказы­вается следующее соотношение между S и G:

(1.6),

также изображенное на рис. 1.1.

Течение может быть охарактеризовано также локальным параметром закрутки S_x , в котором используется толщина слоя смешения r_b , а не радиус сопла d/2. Кроме того, закрут­ка потока может выражаться непосредственно через угол уста­новки лопаток закручивающего аппарата и геометрические па­раметры сопла, через тягу и вращающий момент закручиваю­щего устройства, через угол расширения струи вниз по потоку от сопла и через другие параметры. Целесообразно связать угол установки лопаток закручивающего аппарата с создавае­мым им значением параметра закрутки. В этой связи для сравнения следует заметить, что угол установки лопаток (φ и параметр закрутки S связаны приближенным соотношением

(1.7),

где d и d_h - соответственно диаметры сопла и втулки закру­чивающего аппарата. Это соотношение вытекает из предполо­жения о распределении осевой скорости в кольцевом канале, соответствующем движению газа как целого, и допущению о малой толщине лопаток, имеющих постоянный угол φ по отно­шению к направлению основного потока и сообщающих потоку постоянную скорость закрутки. Действительно, интегрируя вы­ражения (1.2), (1.3) по r от R_h =d_h /2 до R=d/2, получим

, ,

откуда следует соотношение (1.7). В случае безвтулочного за­кручивающего аппарата (или для аппарата с очень малым отношением d_h /d) приведенное выше выражение упрощается следующим образом:

(1.8),

так что, например, углы установки лопаток 15°, 30°, 45°, 60°, 70° и 80° соответствуют значениям S, равным примерно 0,2; 0,4; 0,7; 1,2; 2,0 и 4,0 соответственно. Здесь предполагает­ся 100%-ная эффективность закручивающего аппарата, но в действительности она уменьшается при увеличении угла уста­новки. На рис.1.3 приведен примерный вид зависимости угла выхода потока воздуха θ для закручивающего аппарата с плоскими лопатками от угла установки лопаток φ и отноше­ния шага установки лопаток к длине хорды σ=s/c. Сле­дует также отметить, что целесообразно использовать изогну­тые лопатки в решетках закручивающих аппаратов, и по неко­торым экспериментальным данным известно, что эффективный угол закрутки, сообщаемой потоку, определяется углом уста­новки задней кромки.

Рис.1.3. Изменение угла выхода θ для закручивающего устройства с пло­скими лопатками в зависимости от угла установки лопаток φ и отношения шага установки к хорде σ=s/c, полученное на основе данных для каскада плоских лопаток (а) и данных для каскада криволинейных лопаток (б).

На рис.1.3 б, приведены соответствую­щие обозначения для угла выхода потока воздуха θ, завися­щего от угла установки задней кромки лопатки φ (равного 180°-γ) и отношения шага установки лопаток к длине хорды σ. Здесь использованы следующие обозначения:

θ - угол поворота потока,

φ - конечный угол поворота лопаток,

δ - угол отставания, равный φ-θ,

γ - угол хорды лопатки, равный 180°-φ,

R - радиус кривизны,

с - длина хорды лопатки,

s - расстояние между лопатками (шаг установки лопаток),

и связь между этими параметрами выражается приближенным соотношением Картера

где M_с - функция угла хорды лопатки, которую можно аппрок­симировать выражением

Мс=0,002γ+0,21.

И, наконец, в случае закручивающего устройства с адаптив­ным блоком параметр закрутки опреде­ляется следующим выражением:

, (1.9)

где σ=ω₁ /υ₁ для радиально подводимого потока, R и R_h - внешний и внутренний радиусы устройства, В - длина устройства.

Изучение камер сгорания различных размеров при исполь­зовании входных сопел одинакового размера с одинаковым углом установки лопаток φ показало, что размер и форма центральной тороидальной рециркуляционной зоны (ЦТРЗ) за­висят от диаметра камеры сгорания. Для описания реа­лизующихся в этом случае типов течений удобно использовать модифицированный параметр закрутки

(1.10),

в котором диаметр сопла заменяется диаметром камеры сгора­ния.

2. ФОРМИРОВАНИЕ ЗАКРУЧЕННЫХ ТЕЧЕНИЙ

Закрутка потоков создается тремя основными методами:

- использованием тангенциального подвода (генератор за­крутки с осевым и тангенциальным подводом);

- применением направляющих лопаток (закручивающее устройство);

- непосредственным вращением (вращающаяся труба).

На рис.1.4 показано закручивающее устройство (с осевым и тангенциальным подводом), широко используемое для созда­ния однородных устойчивых струй для подробных эксперимен­тальных исследований. Количество подаваемого воздуха может регулироваться и измеряться отдельно, так что простым изменением расходов воздушных потоков можно изменять сте­пень закрутки от нулевой до очень высокой, приводящей к образованию сильно закрученных струй с обратными токами. Для таких систем требуется относительно высокий уровень полного давления, и в промышленных горелках часто используются системы с направляющими лопатками, в которых ло­патки расположены таким образом, что они изменяют направ­ление потока.

Рис.1.4 Закручивающее устройство с осевым и тангенциальным подводом.

При радиальном подводе воздуха к закручиваю­щему устройству радиальные и тангенциальные углы лопаток могут быть изменены на месте при реализации закручивающе­го устройства с адаптивным блоком, что в конечном итоге аналогично использованию тангенциального подвода. Система с адаптивным блоком эффективна в том случае, когда необхо­димо создать определенный уровень закрутки при относитель­но низком перепаде давления, поскольку при этом можно по­лучить высокую интенсивность закрутки. В случае осевого те­чения в трубе закручивающее устройство или закручивающий лопаточный аппарат состоит из фиксированных лопаток с уг­лом установки φ относительно направления основного потока. Эти лопатки отклоняют поток и придают ему вращательное движение. Такой метод используется в топках и газотур­бинных камерах сгорания. Обычно лопатки устанавливаются на центральной втулке и располагаются в кольцевой области вокруг нее. С целью улучшения условий на выходе делались попытки использовать закручивающие устройства без втулок, однако срыв потока на лопатках обусловливает слож­ную картину течения и приводит к нарушению осевой симмет­рии. Закрутка может быть также создана непосредственным вращением потока. Так, в одном из экспериментов исполь­зовался цилиндр, вращающийся с частотой 9500 об/мин и со­здающий закрутку силами трения на стенке цилиндра, дейст­вующими на проходящий через него поток. Вследствие относи­тельно низкой вязкости воздуха таким методом можно создать лишь небольшую закрутку. Силы трения могут быть значи­тельно увеличены установкой во вращающую трубу перфори­рованных пластин, пучков труб или пористых дисков. На выходе из таких систем получаются профили скорости, соот­ветствующие закрутке газа как целого, аналогично случаю увле­чения частиц жидкости диском, вращающимся с постоянной угловой скоростью Ω. В вязкой жидкости вращающиеся тече­ния (т.е. вихри) всегда содержат центральное ядро с враще­нием жидкости как целого (или вынужденный вихрь). Вне центральной области могут преобладать условия свободного (или потенциального) вихря, что наблюдается при образова­нии в атмосфере смерчей, пылевых бурь, торнадо, ураганов и циклонов. Огневые смерчи, возникающие при лесных и городских пожарах, могут быть смоделированы в лаборатор­ных условиях вращением большого цилиндрического экрана из проволочной сетки над разлитым жидким горючим или над газовым факелом, когда пламя располагается по цент­ральной вертикальной оси цилиндра.

Для классификации и оценки этих типов течений целесооб­разно рассмотреть движение жидкости в цилиндрических коор­динатах. Предполагаются осевая симметрия и равенство нулю радиальной и осевой скоростей (u=v=0). Тогда единствен­ной ненулевой компонентой скорости оказывается окружная, зависящая только от радиуса ω=f(r). Завихренность со опре­деляется как ротор вектора скорости. В простом случае вра­щающейся жидкости, когда u=v=0 и скорость закрутки за­висит только от радиуса г, завихренность равна

,

т.е. отлична от нуля лишь x-компонента вектора ω. Во вра­щающихся течениях с распределением окружной скорости

ω=c/r (1.11)

завихренность равна нулю (со==0). Такие течения являются потенциальными (безвихревыми) и называются потенциальны­ми или свободными вихрями.

Течения с вращением жидкости как целого имеют распреде­ление скорости

ω==c'r (1.12)

и называются вынужденными вихрями. Ясно, что вектор ω в них отличен от нуля и такие течения называются завихрен­ными.

В любом случае циркуляция Г вдоль одной из концентри­ческих траекторий вращательного движения определяется вы­ражением Г = 2πrω, где ω не зависит от θ. Другим параметром является угловая скорость относительно центральной оси Ω = ω/r. Общие ха­рактеристики вихрей приведены в табл.1.1.

Все три типа вихрей в реальных жидкостях имеют цент­ральное вихревое ядро с ненулевой завихренностью. Окруж­ная скорость равна нулю на оси симметрии. Свободные и вы­нужденные вихри можно различить по радиальному положе­нию максимума окружной скорости; т. е. в свободном вихре максимум расположен вблизи оси симметрии, в то время как в вынужденном вихре максимум находится на внешней грани­це вихря. Все величины для составного вихря Рэнкина (или свободно-вынужденного вихря) определяются выражениями для вынужденного вихря при малых r и выражениями для свободного вихря при больших r.

Таблица 7.7.

Общие характеристики вихрей

Параметры	Вынужденный вихрь (вращение среды как целого)	Свободный (потенциальный) вихрь	Составной вихрь (вихрь Рэнкина)
Окружная ско­рость ω	ω=с’r	ω=C/r
Угловая скорость Ω	ђ=const	C/r2 (функция радиуса)	Функция радиуса
Циркуляция Г	2πΩr2	2πC
Завихренность ω	4πΩ=const	0

При выборе закручивающего устройства решающим факто­ром является его эффективность, поскольку лишь часть паде­ния давления на горелке переходит в кинетическую энергию получающегося закрученного струйного течения, остальная часть механической энергии теряется. Можно ввести параметр ν, называемый коэффициентом потока кинетической энергии кольцевого закрученного течения. Его значение зависит от типасозданного вихря, внешнего и внутреннего диаметров трубы.

Рис.1.5. Коэффициент потока кинетической энергии ν в кольцевом закрученном течении в случае уравнения вихря ω = constrⁿ .

Рис. 1.6. Эффективность закрутки ε в за­висимости от параметра закрутки S для различных закручивающих устройств:

1 - закручивающее устройство с адаптивным блоком (R = 80 мм); 2 - закручивающее устройство с осевым и тангенциальным под­водом; 3 - закручивающее устройство с на­правляющими лопатками (R = 62 мм).

И от распределения окружной и осевой скоростей, ко­торые могут не соответство­вать вращению газа как це­лого. Значения ν для различ­ных типов вихрей с ω = Сгⁿ приведены на рис. 1.5. Мож­но видеть, что для любого заданного значения пара­метра закрутки вихрь при движении газа как целого (n=1) представляет собой случай минимума кинетиче­ской энергии, а свободный вихрь (n=-1) дает мак­симум кинетической энергии. Вихри с постоянной окруж­ной скоростью (n=0) пред­ставляет собой промежуточ­ный случай между вихрем с распределением скорости, соответствующим движению газа как целого, и свобод­ным вихрем, и в случае, когда момент количества движения в значительной степени сконцентрирован во внешней части потока (n=3), получаются значения ν, лишь не­значительно превышающие значения, соответствующие движе­нию газа как целого.

Эффективность закрутки в при заданной интенсивности за­крутки представляет собой отношение кинетической энергии закрученного потока, протекающего через горло горелки, к па­дению статического давления между входным сечением и гор­лом. На рис.1.6 представлены экспериментальные значе­ния ε для различных значений параметра закрутки S и раз­личных типов закручивающих устройств.

1. Закручивающее устройство с осевой и тангенциальной по­дачей наиболее эффективно при малых интенсивностях закрут­ки, но малоэффективно при больших интенсивностях закрутки. Например, при S=1 его эффективность ε=40%. Столь низ­кая эффективность связана главным образом с большой пло­щадью внутренней поверхности внутренней трубы горелки, осо­бенно вверх по потоку от отверстия тангенциальной подачи.

2. Закручивающее устройство с адаптивным блоком имеет относительно низкую эффективность при низкой и средней интенсивности закрутки (ε=58% при S=0,4), но его эффективность остается неизменной и может даже повышаться при более высокой интенсивности закрутки.

3. Закручивающий аппарат с радиальной подачей потока имеет относительно высокую эффективность (ε=75% при S=1).

4. Закручивающий аппарат с осевой подачей имеет относительно низкую эффективность (ε=30% при S=1).

Эффективность закрутки представляет собой меру создания конкретной интенсивности закрутки S; это вовсе не мера эффективности создания определенного типа поля течения; это означает, что при одинаковой интенсивности закрутки различными типами закручивающих устройств (с различными профилями скорости на выходе) создаются разные поля течения вниз по потоку.

3. ТОПКИ, ГОРЕЛКИ И ЦИКЛОНЫ

На рис.1.30 приведен эскиз экспериментальной топки Меж­дународной организации исследования горения (IFRF) с пе­ременным отводом тепла, использованной для подробного экс­периментального исследования гидродинамики и теплообмена. Топка имеет длину примерно 6,3 м и поперечное сечение 2Х2 м. Она состоит из 17 поперечных охлаждаемых водой секций. Горелка и труба расположены в центре торцевых по­верхностей. Во время испытаний серии М-3 использовались две высокоскоростные туннельные горелки для природного газа, показанные на рис.1.31, в которых достигается полное сгора­ние на выходе из горелки. Продукты сгорания по­ступают в топку без закрутки и горизонтально или под углом 25° к горизонту. В предыдущих испытаниях в IFRF были исследованы пламе­ни распыленной нефти и измельченного в порошок угля с за­круткой.

Рис.1.30. Экспериментальная топка IFRF для исследования теплообмена в се­рии испытаний М-3.

Существует много различных типов топок - топка котла электростанции отличается, например, от топок в металлургической и обрабатывающей промышленностях. Топки играют важнейшую роль в современном обществе, и их эффективность и характеристики загрязнения среды могут привести к далеко идущим последствиям. Однако во всех случаях особенно важ­ной является возможность управления пламенем с целью со­здания заданных распределений лучистого и конвективного теплообмена, полного сгорания, предотвращения шума, пульса­ции и чувствительности к изменениям свойств топлива. В боль­шинстве топок пламени придается некоторая закрутка с целью повышения устойчивости, тогда как в некоторых других случаях, например в котлах с тангенциальной подачей топли­ва, потоки на входе направляются тангенциально к огневому ядру, образующемуся в центре камеры.

Рис.1.31. Конструкции высокоскоростных туннельных горелок: а - горизонтальная; б - наклонная.

Тогда в камере с закруткой возникает слабый эффект циклонного типа или в ре­зультате получается циклонная камера с движением закру­ченного потока относительно геометрической оси оборудования. Важными конечными характеристиками процесса являются температура, распределение тепловых потоков на стенках и эффективность сгорания, и они непосредственно связаны с об­разованием загрязняющих веществ, таких, как сажа и оксиды азота. Конструктору и оператору необходимо знать, как эти параметры зависят от количества движения и угла подачи струй топлива, температуры предварительно подогретого возду­ха и формы камеры. Ясно, что проблема моделирования очень сложна, она включает взаимодействие турбулентного горения многих химических компонент с многофазными процессами (частицы жидкого или твердого топлива и углерода в поле те­чения) и с лучистым теплопереносом. Как указывается в лите­ратуре, моделирование в той или иной степени включает рас­пределение по размерам частиц (рассчитанное в диапазонах конечных размеров во всех точках области), потоковые или. зонные характеристики лучистого теплопереноса и данные о рас­пределении сажи (сажа образуется в результате термического разложения углеводородов и ликвидируется окислением; оба процесса представляют собой сложную задачу химической ки­нетики).

В случае турбулентных диффузионных пламен процесс сгорания определяется структу­рой потока и смешением. В обзоре обсуждаются методы рас­чета, основанные на законах подобия турбулентных струй, тео­рии потока в гомогенном реакторе и на полных уравнениях в частных производных для турбулентного течения. При сгора­нии капель и частиц необходимо учитывать скорости гетероген­ных реакций и требуется знать распределения частиц по раз­мерам и в пространстве. Эмиссия загрязняющих веществ, та­ких, как углеводороды, сажа и оксиды азота, может быть уменьшена соответствующим управлением закономерностями изменения температуры и концентрации в области сгорания. В обзоре представлены также методы расчета лучистого пото­ка тепла от пламени к тепловым стокам в порядке возрастаю­щей сложности: модель с хорошим перемешиванием, модель длинной топки, многопотоковая модель и зонный метод анали­за.

Рассмотрим теперь некоторые применения закрученных те­чений: в горелках, вихревых устройствах и циклонах.

Особый случай представляют тороидальные горелки (рис.1.36), которые конструируются специально для достиже­ния высокой интенсивности тепловыделения при высокой тем­пературе в результате сжигания жидкого или газообразного топлива с непосредственным использованием кислорода. Про­дукты сгорания с высокой степенью диссоциации обеспечивают очень большие конвективные потоки тепла при рекомбинации на более холодных поверхностях; примеры их применения включают процессы рафинирования стали и меди при их про­изводстве электродуговым методом или в мартеновских печах. В этих горелках иногда возникает неустойчивость, аналогичная встречающейся в ракетных двигателях. Для ракетных двигателей характерны три основных типа неустойчивости: неустойчи­вость в камере сгорания, неустойчивость системы и собствен­ная неустойчивость. К первой категории от­носятся явления гидродинамической неустойчивости, возникаю­щие во многих системах сгорания, но особенно в камерах сго­рания твердотопливных и гибридных ракетных двигателей. Пример приведен на рис.1.37, где в определенной конструкции камеры сгорания, аналогичной тороидальной горелке, возникает гидродинамическая неустойчивость. Вблизи форсунки образу­ется тороидальный вихрь. Он захватывает горячие газообраз­ные продукты сгорания, поступающий из форсунки окислитель, газообразное горючее из области поверхности горючего, сопри­касающейся с вихрем. При критических условиях смесь этих газов воспламеняется и сгорает, создавая местное повышение давления, распространяющееся вниз по потоку. Этот процесс периодически повторяется.

Во многих других типах циклонных пылевых газоочистите­лей, циклонных сепараторов, пылеосадителей с вращающимся потоком и форсунок для распыления жидкого топлива исполь­зуются свойства закрученного и вихревого течений. На­пример, в циклонных сепараторах (рис.1.38) крупные части­цы отбрасываются к стенкам под действием центробежных сил (или вследствие недостаточной величины центростремительных сил) в сильно закрученном потоке. Они опускаются вме­сте со вторичным течением и собираются в нижней части, в то время как относительно свободный от пыли воздух продолжает движение в центральном ядре и выходит у противополож­ного конца.

Центробежные эффекты также проявляются в на­гревателях типа бака с перемешиванием, когда бак с жидкостью нагревается от окружающей паровой рубашки. Переме­шивание жидкости с помощью колеса с лопатками и установ­ленные на стенке перегородки увеличивают турбулентность и интенсифицируют теплоперенос.

4. ХАРАКТЕРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ЗАКРУЧЕННЫХ ПОТОКОВ

В топливосжигающих устройствах наряду с другими воз­можностями воздействия на характеристики пламени часто ис­пользуется закрутка . Закрутка воздуха, впрыскиваемого топлива или того и другого весьма благоприятно сказывается на структуре течения, что в свою очередь способствует дости­жению проектных характеристик устройств. Для того чтобы придать потоку вращение, используются лопаточные завихрители, закручивающие устройства с аксиаль­но-тангенциальным подводом, а также непосредственный тан­генциальный вдув в камеру сгорания. Интенсивность закрут­ки обычно характеризуется безразмерным параметром S, кото­рый представляет собой отношение потока момента количества движения к потоку осевого импульса, умноженному на эквива­лентный радиус сопла. Согласно экспериментальным данным закрутка влияет на крупномасштабную структуру потока и пропорциональ­но своей интенсивности изменяет ширину струи, скорость эжекции, темп вырождения неравномерности (в химически инерт­ных потоках), размер, форму и устойчивость факела и интен­сивность процесса горения (в потоках с химическими реакция­ми). В сильнозакрученных потоках (где S > 0,6) имеются значительные осевые и радиальные градиенты давления, кото­рые приводят к образованию ЦТВЗ, отсутствующей при мень­ших значениях параметра закрутки. Наличие этой зоны с ин­тенсивной завихренностью способствует выполнению ряда тре­бований, предъявляемых к камерам сгорания, а именно позволяет:

1. Уменьшить длину факела за счет повышения скорости эжекции воздуха из окружающей среды и увеличения интен­сивности перемешивания вблизи среза сопла и границ рециркуляционной зоны.

2. Повысить устойчивость факела благодаря вовлечению горячих продуктов сгорания в рециркуляционную зону.

3. Увеличить время жизни оборудования и уменьшить по­требность в его ремонте, поскольку стабилизация осуществляется аэродинамическими средствами, и потому воздействие пламени на твердые поверхности (воздействие, приводящее к перегреву и образованию нагара) минимально.

Кроме ЦТВЗ, появляющейся при значениях параметра за­крутки, превышающих некоторую критическую величину, в ка­нале с внезапным расширением может возникать угловая рециркуляционная зона. О существовании этой зоны и о ее влия­нии на характеристики пламени хорошо известно специалистам по горению, которые стараются использовать рециркуляцию горячих продуктов сгорания и плохообтекаемую форму зоны как средство повышения эффективности процесса горения. В сложных турбулентных реагирующих потоках взаимное влияние распыления топлива, закрутки, больших сдвиговых напряжений и рециркуляционных зон сильно осложняет иссле­дование устойчивости пламени, его осредненных и пульсационных характеристик.

Как уже отмечалось, даже основные свойства течения количественно определены с недостаточной степенью точности; это относится, например, к угловой и приосевой рециркуляционным зонам, существование, форма и раз­мер которых зависят в основном от следующих факторов:

1. Интенсивность закрутки; характеризуется параметром за­крутки S или углом установки лопаток завихрителя φ.

2. Способ создания закрутки - с помощью лопаточного за­вихрителя или закручивающего устройства с тангенциальным подводом, а в зависимости от типа устройства реализуется вращение по закону свободного вихря, по закону вращения как целого или поток с равномерным распределением окружной скорости.

3. Наличие втулки (отношение d/d_h ).

4. Степень диффузорности камеры сгорания (отношение D/d).

5. Наличие на выходе вихревой горелки диффузорной над­ставки (из огнеупора) или камеры с внезапным расшире­нием.

Форма надставки, угол наклона торцевой стенки камеры с внезапным расширением α.

6. Процесс горения.

7. Поджатие выходного сечения камеры сгорания.

8. Форма лопаток завихрителя - плоские или профилиро­ванные.

9. Форма лопаток завихрителя - радиальные или простран­ственные.

Рис. 4.1. Схема вихревой горелки с аксиально-тангенциальным подводом:

1 - трубка для впрыска топлива; 2 — аксиальная подача воздуха; J — тангенциаль­ная подача воздуха; 4 — направляющие устройства; 5 — четыре прямоугольных от­верстия размером 20 X 100 мм для тангенциальной подачи воздуха.

На практике наиболее распространены два типа топливосжигающих устройств, в которых используется закрутка:

Рис.4.2. Схема камеры сгорания циклонного типа с распределенной подачей топлива и воздуха (конструкция ЭНИН). Камера относится к типу IV.

1) вихревая горелка (рис.4.1), из которой поток истекает в атмосферу, в топку или замкнутую полость. Горе­ние происходит главным обра­зом за сечением выхода вне горелки. Набор таких горелок можно использовать для под­держания огня в топке или в замкнутом объеме.

2) камера сгорания циклон­ного типа, в которой подвод воздуха осуществляется тан­генциально, а выхлоп произво­дится через отверстие в цен­тре торцевой поверхности (рис. 4.2). Горение происходит главным образом внутри цик­лона, а его стенки часто слу­жат теплообменником.

При достаточно больших значениях числа Рейнольдса и большой величине парамет­ра закрутки (Re > 1,8∙10⁴ и S > 0,6) в обоих системах об­разуется ЦТВЗ и генерируется высокий уровень турбулентно­сти. Циклоны обычно исполь­зуются для сжигания плохо горящих материалов, таких, как бурый уголь, уголь с большой зольностью или органические отходы. Течения с сильной закруткой, приводящей к образованию рециркуляционных зон, можно создать различными способами:

· тангенциальным подводом (закручивающее устройство с аксиально-тангенциальным подводом)

· непосредственным вращением (вращающаяся труба);

· спиральным закручивающим устройством;

· эймёйденским закручивающим устройством с адаптивны­ми блоками (?