Математическое моделирование горения внутренних закрученных потоков и формирования огненных смерчей

• Автор: Руди, Юрий Анатольевич
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 164 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1 РАСПРОСТРАНЕНИЕ И СТАБИЛИЗАЦИЯ ПЛАМЕНИ В ТУРБУЛЕНТНОМ ГАЗОВОМ ПОТОКЕ
1.1 Уравнения движения вязкого газа
1.2 Моделирование турбулентного течения
1.2.1 Методы расчета турбулентных течений
1.2.2 Модель пути перемешивания Л. Прандтля
1.2.3 Однопараметрические модели
1.2.4 Двупараметрические модели
1.3 Химическое реагирование и горение в потоке газа
1.3.1 Химическая кинетика и химическое равновесие
1.3.2 Ламинарное пламя в предварительно перемешанной смеси
1.3.3 Турбулентное распространение пламени
1.3.4 Модель объемного горения
1.3.5 Модель ламинарного волнистого пламени
1.3.6 Модель распада вихря
1.3.7 Стабилизация пламени в газовом потоке
1.3.8 Расчет горения в закрученных потоках
1.4 Моделирование тепловых и огненных смерчей
1.5 Численные методы решения уравнений Навье-Стокса
2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ АЭРОДИНАМИКИ И ГОРЕНИЯ В КАНАЛАХ
2.1 Физическая постановка и математическая модель
2.2 Стабилизация пламени при умеренной закрутке потока и низких
числах Рейнольдса
2.3 Анализ влияния модели турбулентности на положение зоны
горения

2.3.1 Модель объемного горения
2.3.2 Влияние турбулентных пульсаций на характеристики горения в потоках с закруткой
2.3.3 Горение в закрученном потоке, регулируемое турбулентным перемешиванием
2.3.4 Сравнение моделей
2.4 Математическое исследование самовоспламенш шя и
ЗАЖИГАНИЯ ПОТОКА ЗАКРУЧЕННОГО ГАЗА В ЦИЛИНДРИЧЕСКОМ КАНАЛЕ
2.5 Расчет аэродинамики и горения в прямоточной камере сгорания
С ПЕРЕМЕННЫМ СЕЧЕНИЕМ
3 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ И ОГНЕННЫХ СМЕРЧЕЙ
3.1 Математическое моделирование структуры течения и
теплообмена в тепловом и огненном смерче
3.2 Тепловой смерч
3.3 Экспериментальное исследование теплового смерча
3.4 Математическое моделирование горения газа в закрученной струе и формирования огненного смерча
3.5 Математическое исследование условий возникновения огненных смерчей
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ РАБОТЫ
ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ
Задача обеспечения устойчивого сжигания газов в компактной зоне горения при наличии тепловых потерь на стенках требует не только уменьшения длины предпламенной зоны, но и создания условий, обеспечивающих саму возможность существования пламени. Для выполнения этих требований необходимо специальным образом воздействовать на процессы течения и теплообмена. Основные методы связаны с повышением начальной температуры смеси с целью увеличения нормальной скорости распространения пламени или же с такой организацией аэродинамики, чтобы в зоне течения возникли области, в которых скорость потока становилась равной скорости пламени. Последнее возможно осуществить как контактными методами, то есть введением в поток стабилизаторов горения в виде плохообтекаемого тела, так и путем воздействия на поток полем массовых сил, в частности центробежных, которые возникают в закрученных потоках.
В этой связи достаточно привлекательным выглядит использование в теплообменных и горелочных устройствах потоков с закруткой.
Об этом свидетельствует появление ряда монографий [1-6], а также обзорных работ [7-10], посвященных данному вопросу. В теплогенераторах, камерах сгорания и промышленных горелках создают закрутку для стабилизации пламени и увеличения скорости смешения продуктов. В теплообменниках закрученные потоки используются для увеличения интенсивности теплоотдачи. Кроме того, большие перспективы имеет использование закрутки для стабилизации электрической дуги в плазмотронах [И], в вихревых МГД-генераторах [12], химической и других отраслях промышленности.
Однако, в настоящее время возможности инженерных методов расчета и проектирования теплообменных и горелочных устройств, использующих принцип закрутки потока и обеспечивающих высокие технологические

£, = 5/ + .ии'Б) 1-—1-ехр и
(1.28)
Для сильной турбулентности средняя скорость распространения пламени записывается как:
Основные выводы почти всех теорий, основанных на концепции
ламинарного волнистого пламени таковы:
1. Влияние крупномасштабной турбулентности на распространение пламени не должно зависеть от масштаба турбулентности.
2. Полная скорость распространения турбулентного пламени должна увеличиваться сначала линейно, а потом пропорционально корню квадратному из масштаба турбулентности.
3. Нормальная скорость распространения ламинарного пламени должна оставаться определяющим фактором даже при очень сильной турбулентности.
Часто процесс распада турбулентных вихрей преобладает над влиянием химической реакции. В этом случае считается, что скорость реакции имеет предел, обусловленный кинетикой, но главной особенностью модели является то, что имеется и второй предел, часто более низкий, который определяется скоростью диссипации вихря.
В соответствии с гипотезой Сполдинга [31] горение происходит во многих отдельных вихрях. Существенной особенностью модели является дробление этих вихрей вследствие процессов диссипации на все меньшие
(1.29)
1.3.6 Модель распада вихря