Раздел 2
Анализ аэродинамических и тепловых процессов при сжигании природного газа в
жаротрубных теплогенераторах
Анализ литературных источников показал, что характер выгорания газообразного
топлива по длине прямоточного факела полностью зависит от неполноты смешения
газа с воздухом в горелке и исходной турбулентности газовоздушного потока.
В общем случае для горелок в жаротрубных теплогенераторах характерно
симметричное и равномерное распределение газа в воздушном потоке. Поэтому
основные характеристики факела представляется целесообразным рассмотреть на
базе анализа аэродинамики топочных устройств, уравнения энергии, учитывающего
турбулентный массобмен, и уравнений расходования СН4, кислорода и образования
СО2.
Аэродинамика топочных устройств
К настоящему времени существует три подхода к анализу турбулентных струйных
течений: статическая теория турбулентности, полуэмпирические теории
турбулентности, индуктивные теории турбулентности [55, 56, 88-102].
Перечисленные теории обладают общим свойством: в той или иной степени они
используют опытные данные, т.е. опираются на качественную картину течения.
Теории статической турбулентности основываются на использовании уравнений
Рейнольдса и уравнений для рейнольдсовых напряжений. Для замыкания такой
сложной системы уравнений с дополнительными уравнениями для напряжений
необходимо установить связь между неизвестными, входящими в уравнение. Для
практического применения этих теорий необходимо еще получить и накопить данные
о нормальных и касательных напряжений Рейнольдса, о распределении масштаба
турбулентности и других характеристик турбулентности.
Из-за громоздкости и сложности математического аппарата статистической теории
чаще пользуются другими методами расчета – полуэмпирическими. Методы расчета
полуэмпирических и индуктивных теорий турбулентности строятся на схемах,
обобщающих опытную картину течения струй. И хотя они менее строги, чем
статическая теория турбулентности, они более наглядны и просты в
использовании.
Расчетные полуэмпирические методы развиваются в двух направлениях. В работах,
которые можно отнести к первой группе методов, исходят из строгих уравнений
Навье-Стокса и, вводя дополнительные соотношения, упрощают эти уравнения.
Вторая группа полуэмпирических методов расчета вообще обходит решение
дифференциальных уравнений Рейнольдса или уравнений пограничного слоя. Вместо
них используются различные интегральные условия сохранения, условия на оси
симметрии либо закономерности эмпирического характера. Этим интегральные методы
расчета отличаются от других полуэмпирических схем.
Интегральные методы решения струйных задач разработаны сравнительно недавно
[103-106]. Так как эти методы обходят непосредственное интегрирование уравнений
движения, естественно, что часть информации о характере распространения струй
приходится заимствовать из опыта. Основанием для этого служит автомодельность
на значительном удалении от сопла, т.е. подобие профилей скорости в поперечных
сечениях струи.
Кроме методов непосредственного интегрирования дифференциальных уравнений
пограничного слоя и приближенных интегральных методов, для расчета турбулентных
струйных течений используется и индуктивная теория турбулентности Рейхарда.
Теория Рейхарда была развита в дальнейшем в работах Л.А. Вулиса и его
сотрудников [89]. Для решения целого ряда не автомодельных задач ими широко
использовался метод эквивалентной задачи теории теплопроводности, где вместо
решения уравнения движения решается уравнение типа теплопроводности.
В основном эти методы опробованы при расчете одной струи в различных условиях.
Расчет трехмерного движения затопленной стесненной струи некоторыми авторами в
настоящее время считается не решаемой задачей. Некоторые решения такой задачи
используют эмпирические зависимости, полученные из экспериментальных данных по
конкретному топочному устройству, поэтому их нельзя применить к другим топочным
устройствам.
В настоящее время используются самые разнообразные схемы и методики расчета
аэродинамических характеристик циклонных камер, базирующихся на уравнениях
идеальной вязкой жидкости и опирающиеся в различной степени на
экспериментальные данные [90, 91, 96, 97, 101].
К первой группе относятся методы расчета, основанные на применении
дифференциальных уравнений движения идеальной жидкости и их интегралов.
Существенным недостатком этих методов, если рассматривать их применительно к
промышленным циклонным камерам реальной геометрии, является грубая схематизация
течения, отсутствие учета особенностей движения потока в квазитвердой зоне, где
оно носит весьма сложный характер и оказывает значительное влияние на расходные
характеристики циклонного устройства.
Следующая группа решений основана на использовании уравнений движения
турбулентного потока. Для замыкания системы уравнений Рейнольдса применяют
статическую или полуэмпирическую теории турбулентности [103].
Существуют полуэмпирические методы проектирования горелок, получившие
наибольшее распространение применительно к циклонным камерам различного
технологического назначения [94].
Оригинальная схема расчета, позволившая наиболее полно описать картину течения
газа в циклонной камере сгорания, была предложена Л.А. Вулисом и В.П. Устименко
[89, 98]. За ее основу положено представление о циклонном потоке, как о
своеобразной вращающейся полой турбулентной струе, пограничный слой которой
обращен к оси камеры.
Большое количество недостатков известных методов создания горелок обуславливают
значительное сужение области возможного применения решений уравнений движения
идеаль
- Київ+380960830922