автореферат диссертации по энергетике, 05.14.05, диссертация на тему:Аэродинамика, теплообмен и горение в турбулентных газодисперсных потоках

На правах рукописи

Першуков Вячеслав Александрович

АЭРОДИНАМИКА, ТЕПЛООБМЕН И ГОРЕНИЕ В ТУРБУЛЕНТНЫХ ГАЗОДИСПЕРСНЫХ ПОТОКАХ

Специальность 05.14.05 - Теоретические основы теплотехники

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва; 1995 год * м

- *, .

\

Работа выполнена в Акционерном обществе открытого тина "Энергетический институт им.Г.М:Кржижановского"

Официальные оппоненты: доктор физ.-мат. наук, проф. А.Б.Ватажнн

доктор физ.-мат наук В.М. Гремячкин доктор технических наук Е.В.Самуйлов

Ведущая организация -

Объединенный институт высоких температур РАН

Защита состоится м арТЬ-1995 г в

// часов

на заседании диссертационного совета Д 144.05.05 при Акционерном обществе открытого типа "Энергетический институт им.Г.М;Кржижа-новского"

(117927, Москва, Ленинский пр-кт, 19, АО "ЭНИН").

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке АО "ЭНИН".

Автореферат разослан

совета, к.тл

1995 года.

/ Ученый секретарь*5й^ртаци<5нного

Н.Ф.В;.сильева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Акту; льность проблемы

Дисперсные потоки, представляющие собой смесь несущей непрерывной (газовой или жидкой) и дисперсной (твердые частицы или капли) фаз, ме только широко распространены а. природе, но и используются практически во всех отраслях промышленности (энергетика, металлургия, химическая промышленность и т.д.). В области энергетики проблемы эффективного сжигания твердого топлива, пыле-и влагоулапливания, осаждения влаги и шлакования поверхностей нагрева непосредственно связаны с решением вопросов описания всей совокупности физико-химических процессов, протекающих при турбулентном движении дисперсных сред в реальных технологических аппаратах.

История развития и достижения сооремсш. )й теории газодис-перспьгх сред широко освещены в научной литературе. Ежегодно проводится более 20 международных конференций и симпозиумов, на которых обсуждение «опросов, связанных с экспериментальными и тео ретическими исследованиями многофазных сред, занимает одно из главенствующих мест. В последние годы наиболее важной как в теоретическом, так и в прикладном аспекте стала проГпема построения теории турбулентных дисперсных потоков. В отличие от однофазных потоков теория турбулентный дисперсных течении только начинает создаваться.

В связи с широкой компьютеризацией инженерных и проектных работ воэнгкает необходимость не только в построении математических моделей, но и в создании отечественного программного продукта, В достаточной степени универсальные программные средства, позволяющие инженеру или проектировщику самостоятельно провести анализ тсплофшических процессов в разрабатываемых аппаратах или элементах технологии, созданы и внедрены только для случая однофазных турбулентных потоков. Обобщение таких программных средств д."1 расчета технологических установок, работающих м двухфазных теплоносителях, затруднено в связи с резким увеличением количества необходимой для решения задачи обрабатываемое информации, несогласованностью численных алгоритмов, возрастанием возможных реализаций состояния.

В связи с вышесказанным проблема построения математических моделей различной степени сложности и разработка программных средств для описания турбулентных дисперсных сред является актуальной.

Целью работ является построение математических моделей различной степени сложности и информативности для описания дисперсных турбулентных потоков в рамках, Эйлерова подхода с учетом всей совокупности. физико«х»мических процессов, протекающих при горении и газификации частиц, и разработка программных комплексов, позволяющих проводить расчеты в аппаратах реальной геометрии.

В соответствии с общей целью исследований в диссертационной работе поста плены и решены следующие задачи:

1) разработка новых (Эйлеровых) математических моделей для описания физико-химических процессов в химически реагирующих турбулентных дисперсных потоков, основанных на методе функции плотности вероятности (ФПВ) распределения частиц по координатам, скоростям, температурам и массам;

2) построение с помощью замыканий различного уровня сложности цепочки уравнений для корреляционных моментов пульсаций скоростей и температуры частиц в турбулентных неизотермических потоках;

3) исследование закономерностей, качественный, и количественный анализ динамических и тепловых характеристик дисперсной фазы в классических турбулентных потоках (струи, каналы);

4) создание программных комплексов для расчета гидродинамических, тепловых л физико-химических процессов в технологических устройствах, работающих на двухфа нам теплоносителе (камеры смешения, центробежные сепараторы, горелочные устройства, камеры сгорания); .

5) проведете, на базе разработалных программных комплексов, расчетов совокупности физико-химических процессов, протекающих в технологических аппаратах реальной геометрии и определение закономерностей, позволяющих оптимизировать их работу;

6) разработка новых математических моделей для описания процессов сжигания полцдисперсных твердых топлиы в высококон-цетри! ованных циркуляционных системах (циркулирующий аэрофон-тайный слой).

ГГа,,.;аи новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. С использованием метода ФПВ построены замкнутые и .тематические подели различной степени сложности для описания динамики, теплоп^реноса и химического реагирования (горения и газификации) частиц в турбулентных потоках, которые по сравнению с используемой моделью описания несущей фазы не требуют привлечения дополнительной эмпирической информации для расчета осред-ненных и пульеационных характеристик дисперсной фазы.

2. Построенные математические модели позволяют рассчитывать осреднениые и пульса ционные характеристики дисперсной фазы на основе дифференциальных уравнений в частных производных эллиптического типа, что делает возможным использовать единые численные алгоритмы как для несущей, так и для дисперсной фаз.

3. Разработана модель смешанного ЭйлерожьЛагранхевого описания процессов сепарации и пылеулавливания частиц в полидисперсном турбулентном потоке.

4. Получены новые результаты по определению закономерностей динамики, теплопереноса и горения частиц как в классических турбулентных течениях (каналы, струи), так и в потоках, формирующихся в технолигических аппаратах (камеры смешения, центробежные

о сепараторы, горелочные устройства, камеры сгорания и т.д.).

5. Созданы программные комплексы, позволяют. 1<* проводить расчеты всей совокупности физико-химических процессов, протекающих в реагирующих дисперсных турбулентных потоках в осесим-метричнмх технологических аппаратах.

6. Выполнены численные исследования процессов гора.ля и газификации природного твердого топлива (угля) в турбулентных хими-чески-реагирующих газодисперсных потоках в осесимметричных камерах сгорания различной конструкции.

7. Построена модель для расчета процессов сжигания полрдис-персного твердого топлива в циркуляционных системах, с использованием которой выполнены расчеты циркулирующего аэрофонтди-ного слоя.

Практическая ценность работы заключается в созданк.1 математических моделей различной степени сложности и информативности и разработке на их основе программных комплексов для расчета неей . совокуь.юсги физико-химчческих процессов в химически-реагирую-

«г ■

щих турбулентных дисперс.нох потоках. Разработанные модели и программные средства могут быть использованы инженерами и конструкторами при проектировании новых и модифицировании действующих энергоустановок с многофазными рабочими телами, при проведении экспертных оценок эффективьости различных зарубежных и отечественных технологий, при разработке оптимальных схем термической обработки твердых топлив, при выработке научно-обоснованных рекомендаций по увеличению эффективности функционирования технологического оборудования.

Разработанные математические модели и программные комплексы внедрены и используются в следующих организациях: ВНИИАМ (г.Москва), КБ Энергомаш (г.Химки), Тв'ПИ (г.Тьсрь), Electricity De' France (France,Paris), СПбГТУ (г.С.-Петербург), ЭНИЦ (г.Э; :ктрогорск).

Работа выполнялась по планам НИР Минтопэнерго, при поддержке Рс хийского Фонда Фундаментальных Исследований (код проекта 93-02-15902), по грантам МЭИ (1993 и 1994гг.).

Достоверность работы. При проведении работы особое внимание уделялось тестированию разрабатываемых моделей путем сравнения с экспериментальными данными, полученными различными авторами как в классических течениях (струи, канаЛы), так и в потоках, формирующихся в различных технологических аппаратах.

Автор защищает:

1. Новче математические модели для описания процессов динамики, тепломасопереноса, осаждения частиц и фазовых переходов (горения или гапфикации) в реагирующих дисперсных турбулеь.ных потоках.

2. Резулктггы расчетов турбулентных изотермических и реаги-рукмгчх (горение и газификация) дисперсных течений в классических потоках и в технологических устр ойствах.

3. Программные комплексы для расчета совокупности физико-химических процессов в реагирующих турбулентных газодиспе^сных потоках, формирующихся в Несимметричных технологи"еских устройствах.

4. Математическую модель; расчета процесс в сжигани. полидисперсных твердых топлив в высс сконцентрированных дисперсных циркуляционных системах и результаты использования ее применительно к циркулирующему аэрофонтан . ому слог .

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на I и II Минском международном форуме по тепломассобмену (Минск, 1988,1992); XV Научном совещании по теоретическим и прикладным аспектам турбулентных течений (Таллинн, 1989); First Asiati-Pasific Int. Conf. ort Combustion and Energy Utilization (China, 1990); Всесоюзной конференции "Энергетическое моделирование - ЭНМО-90" (Киев, 1990); Int. Symp. Engineering Problems of Turbulence (Yugosfaviya, 1990); VII Всесоюзном съезде по теоретической и прикладной механике, (Москва, 1991); I и II Всесоюзной конференции по парогенераторам (Новосибирск, 1988, 1990); IX, X Симпозиумах по горению й взрыву (Суздаль 1989, Черноголовка, 1993); XV и XVI конференциях "Актуальные вопросы физики аэрофонтанных систем" (Одесса, 1989,1993); Советсго-японский семинар (Черноголовка, 1993); Workshop on twö-phase turbulence (Germany, 1994); Int. Conf. on Heat Transfer (UK, 1994); Первой Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 1994); 4th Int. Conf. and Trade Show CAD/CAM and MULIMEDIA (Hungary, 1994).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в печатных работах (в т.ч. одной монографии).

Структура i) объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы, содержащего 305 наименований. Объем работы 373 страниц текста, иллюс.рирован 158 рисунками.

Основное содержание работы

Во введении обосновывается актуальность и значимость работы, дана общая хараетеристика исследуемых проблем, сфопмулированы основные цели работы.

В первой главе рассмотрено современное состояние теории и методов расчета турбулентных дисперсных потоков.

Анализ научных публикаций показывает, что в процессе построения .еории турбулентных течений одним из наиболее ; ришш-пшшьных моментов является правильный выбор основных положений. Уже стало очевидным, что развиваемый и широко используемый за рубежом имитационный (Лагранжев) метод моделирования дисперсных сред существенно ограничен не только применимостью к си,»,но разреженным системам, но"и трудностями, -возникающими при они-

-e-

сании большого количества взаимосвязанных физико-химических процессов протекающих в дисперсной фазе и характеризующихся коллективными эффектами (например, горение, термическая деструкция, газификация и т.д.). В настоящее время интенсивно развивается альтернативный (Эйлеров) подход для построения теории двухфазных турбулентных течений, основанный на теории взаимопроникающих континуумов. Работы данного направления отражены в публикациях Шрайбера A.A., Гавина Л.Б., Наумова В A, Elgohbashi S.E., Simonin О., Mostafa A.A.. Химически-реагирующие газодисперсные потоки моделируются п основном с использованием Лагронжевого подхода (например, работы Устименко Б.П., Асланяна Г.С., Lockwood F.С. Smita P.Y., Smoot L.D.).

Показывается, что наиболее привлекательным «i Эйлеровом подходе является появляющаяся, принципиальная возможность использовать достижения теории и численных методов, разработанных для однофазных течений, к турбулентным дисперсным потокам. Для рационального описания статистических характеристик турбулентных дисперсных логиков наиболее применим метод ФПВ, разрабатываемый в работах отечественных (Буевич Ю.А., Ватажин А.Б., Деревич И.В., Зайчик Л.И., Клименко АЛО.) и зарубежных (Reeks M.W.) исследователей.

Указаны недостатки имеющихся в литературе математических моделей для описани" газодисперсных турбулентных потоков и сформулированы основные задачи исследования.

Вторая глява посвящена построению математических мо^^лей различной степени сложности для описания дисперсных турбулентных изотермических потоков. Используя рабюи Зайчика Л.Ии Деревича И.В., посвященные пос.роению замкнутого уравнения для функции плотности вероятности распределения частиц в фазо<чшпространстве координат, скоростей и температур, шлучено обобщенное уравнение для ФПВ, учитывающие гидродинамическое взаимодействие частиц, межчастичные эластичные столкновения и гетерогенные химические реакции. Уравнение эволюции ФПВ имеет вид:

» — <u{uic ) т—Г—+-f--—Г—+(J5L+-ut Kui t*>———+)—-r ♦ tu ,*•"dvidvt xj fyk5vk ти t," 1 êvk3â t, 0ft*

. , , 32Р 8Уа д2р 50 д2р ч Зхк 0У|0УП охк Зу;ЗЭ

ти . з2Р ау„ З2Р 5© з2рч акп дР

+—йм <ии'>(-+_а.-+---+ЛР1,

т, и * ахк38 ахк ЗупЭ9 ахк зэ2 ^ 11

где Р(г,х,у,9,ш)-функция плотности вероятности распределения частиц, 1 -время, хк-координаты, ^ц^-компоненты актуал: ных скоростей частац (газа), ' »(О-актуальпая температура частиц (газа), ^-компоненты массовой силы, т-масса частиц, /-скорость изменения массы частиц в результате термической деструкции, горения и газификации, ти(,)-время динамической (тепловой) релаксации частиц; ст^-тензор гндродинами-ческого взаимодействия частиц, Од-коэффициент броуновской диффузии частиц, /[Р]-ннтеграл столкновений частац.

На основе метода Чэпмена-Энскога получено решение уравнения (1) и определены динамические характеристики дисперсной среды (ур-пульсационная вязкость дисперсной фазы, Ар-коэффициент диффузии пульсационной энергии частиц).

Интегрируя уравнение (I) в фазовом пространстве скоростей и температур получена бесконечная цепочка ураьнений для описания осредненных и пульсационных характеристик дисперсной фазы как с учетом, так и без учета межчастичных взаимодействий. Замыкание системы уравнений проводится на уровне четвертых моментов пульсаций скоростей частиц, для чего используется гипотеза Миллионщи-кова о функциональной зависимости четвертых моментов от вторых.

Проводя дальнейшие упрощения и представления осредненных скоростей и температур в виде суммы "конвективных* и "диффузионных* слагаемых получена замкнутая система уравнений эллиптического типа для описания , осредненных и пульсационных (на уровне пульсационной энергии частиц кр) характеристик дисперсной фазы:

^ дх^ " дх),

_ = —(фу -!-+Рр^-<»' ае>р,

дх охк охк

зов 5Ф©ук з да. .

+ = —(Ф-Е- —)+Ф-+ (}<ж>р. (2>

; от , • . сх^ сГр ох^ Т|

<п сЫк Ф<Чк 1 <чк 2 т„... 1 Ф

где Ф,У|,е-осредненные концентрация, скорость и температура частиц, О-скорость тепловыделения, Рр^-тензор порождения пульсационной энергии дисперсной фазы.

Для определения коэффициентов диффузии частиц турбулентной вязкости, турбулентного числа Прандтля Ргр и коэффициента диффузии пульсационной энергии Лр используются полученные в работе соотношения

Рг К+Т|)(<>т+Чкр/3)

где Г11(о=,>-ехр(-Ти{|)/ти(|)), ви(|) =Ти(|)/т|К,)-Ги(,)-коэффициенты, определяющие вовлечение частиц и пульсационное поле скоростей и температур газовой фазы, к-турбулентная энергия газа, V,-турбулентная вязкость газа, Бст-турбулентное число Шмидта для пассивного скаляра, Ти(1)-лагранжевы масштабы пульсаций скорости и температуры газовой фазы.

В случае турбулентного течения мелкодисперсной примеси система уравнений (2) редуцируется к диффузионно-имерционнор модели. В рамках данной модели описание дисперсной фазы осуществляется на основе одного уравнения диффузионного типа для концентрации ч лиц -

>-М-икМЛф}=. (3) дх ац р йхк дх «с^ Зч^ &>г <кк

Наряду с процессами диффузии и конвекции, данное уравнение описывает вовлечение частиц в неоднородное пульсационное поле газа, воздействие внешних массовых сил и эффект отклонения траекторий частиц О! линий ока несущей фазы.

Описание осредненных и пульсационных характеристик несущей фа-'ы проводится в рамках модифицированной "к-е"-модели турбулентности, позволяющей учесть обратное влияние частиц на динамику газа. ,

Длы постановки граничных условий во внещней к турбулентному течению облает» рассмотрена задача о влиянии частиц на начальную стадию вырождения однородной турбулентности. Показано, ч-"о в случае очень мелких частиц их воздействие на скорость

диссипации турбулентной энергии газа более ярко выражено и може! приводить к затягиванию процесса вырождения однородной турбулентности П1, сравнению с однофазным потоком.

При определении граничных условий для осредненных и пуль-сацнонных характеристик дисперсной фазы на твердых поверхностях используется решение уравнения для ФПВ (I) в области присте ночного течения. Рассмотрены вопросы осаждения частиц на поверхность. В общем случае граничные условия для скоростей, температуры и пульсационной энергии имеют вид:

V - 12<у11)т, ц р /

1 Ф. "ТТ^(1^Гг+и±+1°Рх) •

2 1 I + хФУ > + Х V * "

т„ + т, х дх± 1 + хФ» ' + Х * я

где ||-направлен1>е параллельное поверхности, ¿-направление нормальное к поверхности, х-коэффициеит, характеризующий поверхность ( Х=0 - полностью поглошаюшая, х=1 полностью отражающая), Фу(Фз) * коэффициенты восстановления продольной компоненты скорости и температуры частиц при соударении со стслкой (фу=5/7, - для

абсолютно шероховатой поверхности); г схр(-У03/2<у'х2>) . параметр,

>>

характеризующий наличие массового потока на поверхности.

С целью использования единых алгоритмов для описания характеристик дисперсной и несущей фаз граничные условия 3) мот быть заданы не на самой стенке, а на некотором расстоянии вне обласги вязкого полслоя (метод пристеночных функций). В рамках разрабатываемой методологии пристеночных функций получены граничные условия, связывающие поток дисперсной фазы со значением концентрации частиц в области логарифмического подслоя

(0.115В"3/4г"3/8 + 2.5- Ю-4 т? 5 ) и» „ „ ...

0„,=Ф,{-Ц-^-4-*—--Уу-тЛ), (5)

(1 +10 г* )тах[0.61;тт(1.32-0.271пт»;1)] у 1

где и, - динамическая скоргяъ трения газа, Фд - концентрация частой в "логарифмическом" слое, В=5>св/т}.'2.

Для характеристик несущей фазы используется метод присте-дочных функций, модифицированный с учетом обратного влияния частиц на лульсационные харакеристики.

Проанализированы предельные переходы в уравнениях (1)-(4) да случай переноса пассивной примеси, так и очень инерционных эдсхнц, не взаимодействующих с пульсационным полем газа. Получены оценки применимости разработанных моделей.

Третья глава посвящена апробации разработанных математических моделей на-примере классических турбулентных течений. Для случая струйных течений с мелкоцисперсгыми частицами использована диффузионно-инерционная модель (3). На рис. 1,2 представлено сравнение результатов расчетов с экспериментальными данными (Лаатс, Фришман 1970, 1973). Наиболее интересным для течений с мелкодисперсной примесью является проявление эффекта "шнурования", заключающегося в немонотонном (в отличие от случая переноса пассивного скаляра) изменении концентрации частиц вдоль оси струи. Данный эффект обусловлен вовлечением частиц в неоднородное пуль-сационное движение газа (сила турбофореза), которое характеризуется немонотонным изменением пульсационной энергии вдоль оси потока. В ряде режимов модель (3) предсказывает появление волнообразного характера изменения Ф вдоль оси. Аналогичный волнообразный характер обнаружен в эксперт, гнтальных исследованиях (Павельев и ДР., 1479). Фт

О 10 20.

Рнс.1. Изменение концентрации часть -ч вдаль оси струи 1-<1р=0,2-7мкм, 3-17 мкм

О » 2 *'О0

Рис.2. Профили концентрации в радиальном сечении струи: а - Л,"=7мкм; б - Пики, в-0

1 - х/00*=2, 2 - 6, 3 - 20;

С увеличением инерционности частиц (ти/Тц>1) использование диффузионно-инерционной модели (3) становится некорректным. Основывяясо на экспериментальных данных (Мос1а1те$ 1984, Твцд, Г'88) проведет» тестирование двухскоростной и двухтемпературной модели (2). На рис. 3,4 представлено сравнение с экспериментальными данными по изменению осредненных характеристик как на длине струи, так и в поперечных сечениях. Расчет гидродинамических и тепловых характеристик струйных течений выполнен в двух приближениях: локально-однородном, когда пульсационные характеристики дисперсной фазы рассчитываются из алгебраических соотношений

Ур ЗЭ Ргр Зг'

И нелокальном, использующем уравнение

баланса пульсационной энергии частиц (2) и турбулентного теплового потока

V

«оЧ

14.

Рис.3. Изменение скоростей часпш(1) и газа (2) частиц вдоль оси струи ач|г=170мкм(М()=0.32), б-7мкм(0.85), в-однофазное течение

Рис.4. Профили скоростей частиц(1) 4,=501..км II газа (2) в сечении

струи а - Мо=0.32, б - 0.85, н-0

дх дхк 3(т„ 4-2т,) р

с©

Ль

4(и,г>-(—+ -)(у;з'>].

(6)

Г работе показано, что осредменные характеристики струйных потоков могут быть с приемлемой степенью точности рлссчч/лпы и рамках локально-однородного приближения. Для пульсяционных характеристик необходимо учитывать нелокальный характер переноса. Более того, если течение в однофазных струях может быть рассмотрено в рамках изотропного описания диагональных компонент ген юра Рейнолг чсовых напряжений, то для квадратичных пульсаций скоростей

т

Рис.5. Продоя- ныс (а) и поперечные (Ь) квадратичные пульсации скоростей частиц <)р=50мкм на автомодельном участке осссимметричной струи при хЛ)0=2б I - Мп=0.32; 2 - Мй=0.85 - расчет, 3.4 - эксперимент частиц их неизотропность является принципиальным.. С целью учета анизотропии квадратичных пульсаций скоростей дисперсной фазы используется аналог алгебраического преобразования Роди, При этом учет механизмов гидродинамического взаимодействия частиц и межчастичных столкновений оказывается Необходим. На рис. 5 представлены результаты сравнения расчетных и экспериментальных данных (Мос1агге5,1984), свидетельствующие о значительном преобладании продольных квадратичных пульсаций скоростей частиц над радиальными.

Существенные отличия р зультатов расчета при использовании различных моделей применительно к описанию осреден-ных струйных дисперсных турбулентных течений проявляется в основном пря действии массовых сил. В качестве такого примера

° „ „ 01 " л рассмотрено теч.ние в закручеи-

гис.б. Сравнение результатов расчетов ■ ■ ■

радиального распределен»« массового НОи ДИШерсио11 турбулентной потока частиц, вылолясшшх по струе. На рис.6 предега лено различны,., моделям сравнение эткримыиальных

данных (1Мт\, 1987) е рзечегами по различным модели: ЬНГ-локально-гомогйнная модель, в второй уравнения записываются для среднемессопой скорости потока, а концеь «ранил частиц рассчитывается на осиоае станд'^гаого уравнения диффузии; П5Р-детерминированнос Лагра1»ж.,во описание; БЙР-стгхастическда Лшрам;ш> описание, учитывают'."« ккямодейспме

-и -

частиц с пульсациоиным полем газа; модель (2), Учет стохастического характера движения частиц оказывается необходимым условием качественно правильного описания осредненных характеристик дисперсной фазы.

Тестирование разработанных математических моделей (2) и (3) Для случаев внутренних течений осуществлено на примере расчетов газоднсперсных турбулентных потоков п длинных трубах. При анализе течения мелкодисперсной примеси использована диффузионно-инерционная модель (3). Основное внимание в работе уделяется вопросам осаждения частиц под действием механизмов различной природы: броуновской и турбулентной диффузии, турбулентной миграции, седиментация в иоде рнешних массовых сил. В качестве граничных условий используется выражение (5). На рис.7(а) представлено сравнение результатов расчета скорости осаждения j+ =Gw/Omu. на осноис метода прнстеночных функций (заштрихованные символы) при разных значениях параметра инерционности частиц (т+ = xuuf / v) с экспериментальными данными различных авторов, обобщенных » работе McCoy (1974) (светлые символы). С увеличением размера частиц рол' броуновской диффузии уменьшается, что приводит к падению скорости осаждения. Дальнейшее увеличение инерционности частиц приводит к сильному увеличению j+ (до 4-5 порядков) н обусловлено силой о турбофореза.

Для крупных частиц (т+>100) рзечеты осрсднепны ; и пульса-ционных характеристик в этом случае выполнены на основе модели (2)

Рис.7, зависимость скорости к^цжления частиц мелких (а) к крупных (Ь) -мстш; от параметра инерционности -

с учетом гидродинамического взаимодействия частиц и межчастичных столкновений. Показано, что межчастичные взаимодействия и столкновения со стенкой определяют наличие заметного скоростного скольжения фаз. Наиболее характерной особенностью течения массивных частиц является равномерность полей осредненных скоростей дисперсной фазы, что получено и в большинстве экспериментальных исследо-в-ний. В отличие от мелких частиц, скорость осаждения крупнодисперсной примеси падает с ростом параметра инерционности. На рис. 7(b) представлено сравнение полученных результатов с экспериментальными дагчымн различных авторов (Agarwal 1974, Ganic 1981. 1986, Lee 1989 и др.).

Четвертая глава посвященч результатам использования разработанных моделей (2)-(5) для расчета гидродинамически^ процессов в технологических аппаратах различного назначения.

При проведении численных расчетов в осесимметричных аппаратах используется известный SIMPLE-алгоритм для расчета поправки давления. Разработаны программные комплексы, основанные на решении нелинейных эллиптических уравнений в осесимметричных аппаратах.

Выполнен комплекс расчетов сепарационных устройств различной геометрии. Для анализа процесса сепарации полидисперсно)! системы частиц (капель) используется Эйлерово описание эволюции фракционного состава, который заключается в фиксированном разбиении спектра н& фракции с возможьым обменом между ними. Используя услорче применимости 1иффузионио-инерционно1 модели (3) (х/ги=1) исходный спектр частчц разбивается на две части. Описание процесса сепарации мелке дисперсных частиц (т/Гц^1) осуществляется на основе модели (3). Расчет динпмики частиц более крупных размеров проводился на основе детерминированного Лагранжева подхода, мг чифи-цированного с учетом сил турбофореза.

С использованием смешанного Эйлерово-Лагранжева подхода выполнены расчет i процессов сепарации влаги в круглых трубах и кольцевых зазорах. На рис.8 представлено сравнение полученных результатов для процесса сепарации мелкодисперсной влаги в кольцезом прямоточном циклоне с экспериментальными данными (Jochansen 1988). сравнение различных моделей показывает, что в условиях действия массовых сил (в данном случае центробежных) Лагранжев подход

Рис.8. Сепарация а- чги в прямоточном циклоне

1-модель (3), 2-диффузионная модель, 3-модель Лагранжа

дает завышенные результаты в случае крупных частиц и заниженные для мелкн>.

Разработанная модель применена для оптимизации работы парог-шельных прямоточных центробежных сепараторов ЕОР и МЭИ.

В качестве другого £ примера использования модели (3) представлены результаты расчетов аэродинамики топочной камеры котла П-57. Получены картины распределения аэродинамических характеристик несушей фазы. Проанализированы распределения концентрации дисперсной фазы в случаях шлакующихся и нешлакующихеи поверхностей. Выполнены расчеты

штатных и нештатных (характеризуемых изменением расходов топливо-воздушной сме< и на одном из поясов горелочнь.х устройств) режимов. Определены зоны наиболее подверженные шлакованию. На рис. 9 привезены распределение концентрации пылевидного топлива при нештатном режиме работы топочной камеры со шлакующимися стенками. Области максимальных скоростей шлакования расположены в зонах горелочных устройств и нижней воронки.

Расчеты течений в технологических аппаратах, использующих в качестве рабочего тела газодисперсную смесь, содержащую инерционные частицы (ти/Тц>1), выполнены на основе полной двухскоростной модели (2). В результате проведения серии расчетов определены оптимальные режимы работы эжекиионного сопла в аппарате для пескоструйной резки тонких листов мст:ыла,

Рис.9. Изолинии концентрации пыли в тоПочнпи камере копа П-57

сочетающие минимальный износ боковых поверхностей в результате трении абразивного материала с допустимыми уровнями концентрации частиц на выходе из аппарата и кинетической энергией формируемой струи. На рис.10 представлена общая схема аппарата и изолинии концентраци : частиц, иллюстрирующие процесс формирования струи абразива.

Рис.10. Общая схема эжекционного сопла и изолинии относительно* концеюрации абразива

Разработанная двухскоростная модель (2) использована для расчета аэродинамических характерис-ик камер сгорания и горелочных устройств, работающих на тверцом топливе. Основное внимание уделялось анализу динамики дисперсной фазы в циркуляционных зонах. Рассмотрены ргличные режимы течения: присоединенная циркуляционная зона, формируемая в прямоточных к—(ерах сгорания за счет резкого расшиоения поперечного сечения аппарата и свободная циркуляционная зона, оОусловленная начальной закруткой подаваемого в камеру газодисперснг^о попка. В обоих случ'лх подача газодисперсной смесь осуществлялась по различным входам, что наиболее точно схематизирует работу реальной камеры сгорания. Для прямоточной ::амеры сгорания получено, что зона обратных токов скоростей дисперсной фазы уменьшается по мере роста инерционности частиц. Присутствие в погоке дисперсной фазы приводит к ухудшению процесса емешеьич первичного гасодисперсного и вторичь >го чисто газового потоков. Такое влияние частиц определяется ламиниризи-рующим деГсггвием частиц^ и, как бедствие, замедлением диффу-

tafr/R.)

Рис. 11. Изменение функции смешения вдоль оси камера сгорания 1-пасипный скаляр,2-4р=19мкм,3-59мкм

Um v„ u,

знойных процессов. Аналогичные результаты получены в экспериментальных исследованиях (Hahn, 1987) (рис.П).

Для течений, характер»-зуемых формированием сьобод-ной циркуляционной зоны в приосевой области течения показано, что только мелкие частицы (в анализируемых условиях dp=30 мкм) вовлекаются в циркуляционное движение газа. Hpi: этом траектории частиц представляют собой замкнутые кривые. В тоже время не наблюдается бесконечно большого накопления дисперсной фазы в зоне циркуляции, что обеспечивается процессами турбулентной диффузии и миграции. С ростом размера частиц их вовлечение в циркуляционное движение газа не происходит и R род о." пая составляющая скорости частиц остается положительной по всей длине аппарата. Данный факт отображен на рис.12, где выполнено сравнение результатов расчета с экспериментальными данными (Sommerfeld, 199!) по изменению осевых скорое гей по длине аппарата. Удовлетворительное совпадение с экспериментальными данными получено и при сравнении радиальных распределений как осредненных скоростей газовой и дисперсной фаз, так и пульсационной энергии газа и "астиц. Интересно отметить, что как в экспериментах, так и в расчетах обнар^ .«сны области потока, в которых пулъсационная энергия частиц превышает пульсационную энергию газа. Наличие таких зон обусловлено инерционным переносом пульсационной энергии частиц из областей с высокое интенсивностью, в области с низкой интенсивностью турбулентной энергш* дисперсной фазы, что делает невозможным исполь-

16

газа и

Рис. 12. Г 1тухание скоростей частиц по длине камеры, /-газ; ¿-частицы dp—30 мкм, J- 45 мкм; 4 60 мкм.

м «еГ^" л С* X X \х* 1 '

? /Ч к \

1—|—I—I_|—1 1—1_I—I | |—1—I к—I—I

0 4 8 и/с 0 4. м/с О 4 м/с 0 4

Рис.13. Радиальное распределение аксиальных скоростей газа (а) и частиц (б)

(¡=30мкк.

/-граница нулевых скоростей частиц; 2 - граница нулевых скоростей газа

зование локально-однородного приближения кр=Гцк для расчета таких типов течений. В качестве иллюстрации на рис. 13 представлено сравнение расчетов с экспериментальными данными по радиальным распределениям продольных скоростей газовой и дисперсной фаз в различных сечениях камеры сгорания.

Пятая глава посвящена разработке теории описания химически-реагирующих газодисперсных турбулентных потоков. В основу теории положено построение замкнутого уравнения для ФПВ распределения частиц по координатам, скоростям, температурам и массам (О-

Используя ураане не (1) и процедуру осреднения Фавра для газовой фазы получена цепочка уравнений для осредненных и пульса-шюнных характеристик на уровне вторых моментов пульсаций скоростей и температуры частиц и юза. Определен вид дополнительных слагаемых в уравнениях для вторых моментов пульсаций скорости, температуры и концентраций газовых компонентов, описывающих влияние процессов химического реагирования на пульсационную структуру потока.

Разработана процедура осреднения ск ростей гетерогенных химических реакции в турбулентных газодисперсных потоках. В процедуре осреднения используется решение уравнения для ФПВ распределения частиц по температурам. Показано, что при горении частиц имеет место положительная обратная связь: флуктуации температуры частипь- (Э':> вызывают пульсации скорости горения, что в свою очередь усиливают интенсивностч <9'2). В зависимости от соотношений интенсивности тепловыделения и теплоотдачи могу г реалпзопываться

Р^.т)

\

2 V

1

и

0 ... л NN ^

■0.5 | ШЯ

¿Й/Е

"•ис.14. Изменение во времени ФПВ распределения частиц по температуре

как бескризисные режимы горения, так и режимы, характеризуемые двумя стационарными состояниями. В случае бескризисного режима горения решение уравнения (1) представляет собой одномодальную функцию распределения частиц по температурам в форме Гаусса. Кризисные режимы описываются бимодальной функцией распределения. На рис. 14 представлено изменение решения уравнения (I) во времени при различных значениях параметра инерционности т/Г,. В случае кризисных режимов под воздействием пульсаций температуры окружающей среды возможен переход из одного стационарного состояния в другое (стохастическое воспламенение и погасание).

С использование« решения уравнения (1) для бескризисного режиме химического реагирования определен^ корреляционные моменты скорости гетерогенной химической реакции с пульсациями характеристик дисперсной и газовой фаз. В качес.ье примера приведем корреляционные момента между скоростью горения и температурой частиц

к0<е ехр<-Б/К»)>,>

«» А —____ _._

1+к0<ехр(-Е/аЗ))Рс1 /20,

, к

(Э'Ч>г-Ас(С(

(Зд ехр(-

яа

(ехр(-Е/Я&)), ■

Л \в / вп)<

<8'

'«Р(--Г)>Р] Я'

1

Щ1+3<И>ЕУ2КеЪ

(1+2(5 )Е /Цв'У <8'е*з(-Ет)>,<ехр(-Е/ Л»)),

Яв(1+2(8 *2 )Е / Яб3 ) (8,г)Е

3,1

Яв 0+2<8' )Е/Ев )

Для описания процесса переноса тепла излучением проведено обобщение моментного метода расчета, разработанного для анализа газовой фазы, на случай газодисперсной среды, содержащей рассеивающие частицы. Индикатриса рассеяния задавалась в форме аппроксимации дельта-Эддинггона. Коэффициенты поглощения частиц определялись с использованием известных в литературе соотношений,, основанных на теории Ми для одиночных частиц. Газовая фаза рассматривается как серая среда, для которой осредненные : по Планку коэффициенты поглощения рассчитываются с помощью методики средневзвешенной суммы серых газом.

На основе полученной' системы уравнений выполнен анализ влияния пульсационной структуры патока на процесс воспламенения газовзвеси в адиабатическом реакторе (одномерные кинетические схемы в рамках приближении затухания однородной турбулентности). На рис. 15 показано распределение температуры по длине реактора при

выгорании углеродных частиц различного диаметра. Расчеты выполнены в трех различных постановках: квазиламинарное приближение (штрих-пунктирные линии), с учетом только прямого воздействия пульсаций на интенсивность горения (штриховая линия), с учетом взаимного влияния пульсаций характеристик среды и скорости тепловыделения (сплошная линия). При обратного влияния .горения на

131 Т»4-То

0.5

---II

---ш

* г г/

I 1 I 1

I 1 I

I • 1

Ал

10'

10*

Л.

Рис. 15. Распределение тем-ературы по длине камеры сгорания

У-^5 мкм; 2 -20; 3-100 горении мелких частиц учет турбулентность вызывает уменьшение длины зоны индукции по сравнению с ква-<иламннарным расчетом. Для относительно крупных частиц расчеты, выполненные для всех трех случаев, сближаются, что/ свил<*те..ьствует о несущественном влиянии пульсаций характеристик газового потока на горение крупнодиснерсного топлива.

В рамках а.,алогичной (одномерной) схемы расчета выполнен анализ влияния пульсационной структуры потока на процессы паро-кнелородной газифпкачин углеродистых частиц. Показано, что эндотермические реакции могут приводит к подавлению пульсаций температуры, т.е. энергия пульсацпонного потока идет на поддержание эндотермического процесса.

В шестой главе в рамках диффузионно-кинетической теории рассмотрены различные модели химического реагирования углеродистых и коксозоловых Частиц (горение, газификация в атмосфере С02 и Н20). Показано, что для чысокозольных топлив химическое реагирование может быть, описано в рамках модели прочного золового каркаса, характеризуемой постоянством геометрических размеров частиц и переменной плотностью вследствие термической деструкции и конверсии связанного углерода. Для описания химического реагирования отдельных частиц использованы зависимости для скорости горения, учитывающие внутрикинетический, внутридиффузиониый, внешнекине-тическмй и внешнедиффузионный режимы. Эмпирические коэффициенты, определяющие скорость реагирования углерода с 02, С02, Н20, находились из решения задачи о выгорании одиночной истицы и сопоставления с экспериментальными данными (Бабий В.И., Головина Е.С., Майстренко АЛО. и др.).

Для выбора модели горения газообразных летучих компонент (в качестве которых рассматривается СПНШ) рассмотрены задачи горения метана в диффузионных и гомогенизированных (перемешанных) факелах, формирующихся в камере сгорания. На рис. 16 представлено сравнение полученных в расчетах профилей Температуры в условиях 'г»етакручен"ого и закрученного потоков с экспериментальными данными (Spadaccini, .1976). В целом получено удовлетворительное совпадение с экспериментом. Для случая горения предварительно подготовленной емгеи использование мо^елу Спеллинга приводит к существенно болыгнм погрешностям. В то же время применение модели Магауссена обеспечивает удовлетворительное описание хар ктернстик потока. На рис. 17 представлены поля ' эмперилур в камере сгорания при горении подготовленной смеси с использованием модели горения Спсддинга и Магауссена. Там же

Рис.16. Радиальное распределение температуры в различных сечениях незакрученного (а) и закручённогг (<J) факелов 1.4 - :</R4 0.06; 2,5 - 0.2;-1.0.

T.Kr

Рис.17. Поля и радиальные распределения температур при горении перемешанных топлив а - модель Спеллинга, б - . .одель Магнуссена, 1,3-хД)=1.3/ 2,4-3.0

представлено сравнение с экспериментальными данными по радиальному распределению температуры (эксперимент Зубина, 1993). В соответствии с полученными результатами для описания процесса горения летучих необходимо использовать модель Магнуссена.

На основе разработанной математической модели выполнены расчеты процесса горения твердого топлива в ярямоточгых и закрученных факелах. Пылсу ольный факел формируется в камерах, характеризуемых разделением смес л на первичный холодный пылеугольный и вторичный нагретый газовый потоки. В результате смешения двух потоков происходит термическая деструкция топлива с последующим Воспламенением метана и коксозоловых частиц. На рис. 18 представлено распределение полей температур газовой I. дисперсной фаз в камере. Высокий уровень температур факела обусловлен адиабатическими условиями на стенках -камеры. Сравнение распределения темпе-г тур по оси камеры с экспериментальными данными (1ап§, 1988) представлено на том же рисунке. Расчеты и экспериментальные данные достаточно удовлетворительно согласуются между собой.

Рье.18. Паш температур газовои (а) и дисперсной (б) фаз в камере и изменение температуры газа пдепь оси факела

Рис.1!>. Изменение мольных концентраций 0,3-О2; 2,4-СОз) адоль оси факела и

в различных радиальных сеяниях ( а-1м, б-2м) камеры сгорания

На рис. 19 представлены расчетные я экспериментальные данные по изменению объемных мольных концентраций 02 и-СО, по оси камеры сгорания и в нескольких ее сечениях. Видно, что после резкого снижения концентрации кислорода в области точки воспламенения наблюдается слабое ее повышение, обусловленное диффузией окислителя из обедненной топливом периферийной зоны. Уменьшение концентрации С02, как и рост 02, связан с процессами турбуле; гного обмена. Немонотонность изменения концентраций газовых компонент может быть получена только в рамках многомерных расчетов.

Выполнен цикл расчетов по определению оптимальных условий подсветки природным газом. В качестве топлива рассматривается Донецкий АШ, характерлзуемый малым количеством летучих. Показано, что добавление даже в значительном количестве газообразного топлива не может обеспечить полную конверсию углерода, что обусловлено увеличенным расходов окислителя в процессе сгорания метана. Для обеспечения полноты сгорания необходимо в существенной степени увеличить интенсивность массообменных процессов. Интенсификация процессов турбулентной диффузии может быть достигнута, например, в результате формирования вихревого факела.

Проведено численное моделирование процессов горения твердого топлива в вихревой камере сгорания, соответствующей экспериментальному стенду Исследовательского Центра ШГЭ (Дания) тепле ой • мощностью 675 Кат. Результаты расчетов свидетельсть/ют формировании центральной рециркуляционной ¡юны в корне факела, что способствует прогессу воспламенения топлива. Начальная закрути-• 1 потока приводит к интенсификации процессов тепломасообмена, что проявллется в существенно более равномерных распределениях полей температуры: и концентраций газовых компонентов. Средний уровень

тсмператур и концентраций удовлетворительно согласуется с экспериментальными данными.

Описанная математическая модель использована для расчета процесса парокислородной газификации твердого топлива (Донецкий АШ) в поточном реакторе под давлением (экспериментальный стенд Института Проблем Энергосбережения АН Украины). Реактор представляет собой цилиндрическую камеру сгорания но центральной части которой подается смесь чистого кислорода, метана и пылевидного топлива. По периферийному кольцу угольная пыль транспортируется водяным паром. В результате воспламенения топлива в сопловом аппарате образуется высокотемпературная струя, которая смешивается с водяным паром и свежим топливом, подаваемым с периферийной зоны. На рис. 20 приведены изотермы газового потока и частиц в объеме реактора. Как видно из рисунков, удастся удерживать высокотемпературную струю в центральной части реактора. При этом вдоль стенок температура газа не превышает 1000°С, что укладывается в технологический режим работы реактора без перегрева и шлакования с; люк. Температура газа и частиц на выходе из реактора-Гапфикатора также существенно неоднородна по сечению, а значения их изменяются в диапазоне 1000-1800"С.

Изолинии равных концентрации газовых компонент предстагзены на рис. 21. Расч ты показали, что в анализируемом реакторе не удается достигнуть высокий степени конверсии углерода (остаточное содсржзипс углерода составляет 15-25%), что обусловлено как недостаточной длиной аппарата, так и значительным уменьшением скоростей гетерогенных химических реакций газификации с увеличением степени конверсии топлива.

Рис.2!. Изолинии массопых концентраций гозошх компонентой

Представлено описание разработанных вычислительных комплексов FLAM Е( DOS) и ESTTAC(WINDOWS), предназначенных для моделирования горения дисперсного топлива ц камерах с.орлния цилиндрической (цилиндро-конической) формы с осевой симметрией. В основу обеих версий программного продукта положен принцип структурирования задачи как по различным физико-химическим процессам, так и по функциональным возможностям каждого из независимых сервисных и программных блоков, связанных между собой в единую графическую оболочку.

Основу разрабатываемой Структуры составляют:

- моделирование структуры твердого топлива и создание банка данных по кинетическим константам гомогенных и гетерогенных химических реакций;

- моделирование аэродинамик i турбул«.лтного газодисперсного потока на основе Эйлерова представления обеих фаз и использования модифицированной к-е-модели турбулентности;

- моделирование процессов тепломассопереноса и химического реагирования в турбулентных газодисперсных потоках;

- моделирование радиационного переноса тепла.

Основу программного комплекса составляют три независимых блока: препроцессор, вычислительное ядро комплекса, постпроцессорная об; аботка результатов. В качестве графического постпроцессора используются программы графический визуализации WG(DOS) и

ЬЕ(ЖА1Ф0(\У1Ы0С)\У$), разработанные в Тверском Государственном Техническом Университете под руководством Горячева В.Д.

С использованием метода ФПВ разработана математическая Модель для расчета изменения фракционного состава топлива в циркуляционных системах сжигания на основе аппаратов с высококонцентрированными гчсперсныыи потоками (современные технологии низкотемпературного сжигания твердых топлив в циркулирующих кипящих и аэрофонтанных слоях). Принципиальная сложность расчета циркуляционной системы сжигания. состоит в том, что свойства топлива на входе в камеру сгорания заранее не известны, т.к. они определяются не только характеристиками свежего топлива, но и зависят от свойств топлива на выходе из камеры сгорание и характеристик циклона или другого технологического аппарата.,

На основе разработанной модели выполнены расчеты характеристик технологической схемы сжигания твердого топлива в циркуляционной системе на основе аэрофонтанной топки (рис.22).

Рис.22. Схема циредишноигого контура с г-; Ы 5*

аэрофонтанным предтопком т —'

1-камера воспламенения; П-разгонно-транспорткый участок; Ш-аэрофонтаино* Ьмера; {У-цикпон; У-ропор-пнрмюер;. V!-бункер свежего топлива; /- подача свежего топлива; ¿-подача вторичного топлива в гсактпр-пиролизер; •Т-ижв золы; ¿-подача топлива в камеру воспламенения; 5 г подача воздуха; 6-нровал топлива из камеры воспламе-н чия; 7-отвоа дымовых (азов е м-лкими частицами

Для описания движения И тепломассообмена в твердой фазе используются одномерная или нульмерная схема расчета, т.е. модели идеаг ного вытеснения и идеального смешения: в транспортных участках циркуляционного контура, где движение близко к одномерному, применяется мо ель идеального вытеснения,, а в областях с высокой интенсивностью внутренней циркуляции материала - модель идеального смешения. Движение и массоперенос р газовой фазеописываются в рамках модели идеального вытеснения, а теплообмен - в соответ-ств|..| с моделью расчета твердой фазы. . Проведено численное исследо-пание сжигания прибалтийского сланца. Фракционный состав свежего топлива задавался с помощью обобщенной гамМагфункции.

На рис. 23 показаны результаты расчетов и экспериментальные данные по распределениям температуры и концентраций О2 и С02 по высоте топки (Эксперимент Перепелкина А.В.); видно достаточно удовлетворительное соответствие теоретических и опытных результатов. На рис. 24 представлены распределения содержания углерода (т}гШ(г)> в аэрофоитпнной камере при разных кратностях циркуляции

К. Видно, что максимальное содержание углерода имеет место при К=1, когда гнешняя циркуляция топлива отсутствует и система становится незамкнутой, как и при фак- льном или обычном слоевом способе сжигания. С ростом кратности циркуляции происходит снижение содержания углерода в частицах всех фракций, так как увеличивается время пребывания топлива в тракте горения; при этом крупные частицы псши полностью выгорают. Максимальное содержание углерода в частицах с йр~50 мкм объясняется малым времен-м пребывания мелких частиц в топке. Полученные распределения пгШ(г)

качественно согласуются с показанной на рис.24 штриховой линией зависимостью содержания горючей массы в золе из-под циклона в кипящем слое (Кубота, 1991).

Показано, что с ростом кратности циркуляции топлива происходит снижение температуры в системе, что объясняется увеличением массы золы в топке и соответственно увеличением затрат тепла на ее прогрев. Снижение температуры является благоприятным как с точки зрения уменьшения образовани" оксидов азрта, так и снижения опасности шлакования топочных поверхностеВ.

*!. 1 'а

Рас.2Э. Распределения температуры и массовш кшцетряций О] « О)] ы»¡соте ниш1«'расчет; • акстерпкеет

0 1 3 П«*«

Ряс. 24. Зависимость содержания углерода в ирофонтанной топке от радиуса частиц

- ю-

Осиовиые результаты и выводы диссертации

1. На основе кинетического уравнения для функции плотности вероятности распределения ансамбля взаимодействующих частиц В турбулентном потоке построены математические модели различной степени сложности и информативности для расчета осредненных и пульсационных параметров д :сперсной фазы в турбулентных двухфазных потоках.

2. Отличительной особенностью построенных моделей является возможность описания характеристик газа и частиц на основе единого типа дифференциальных уравнений (эллиптического). Граничные условия для характеристик дисперсной фазы получены в форме, "пристеночных функций", что полностью сопрягаете т с методологией расчета однофазных турбулентных течений. Построенные модели не содержат дополнительной эмпирической информации для описания осредненных и пульсационных характеристик дисперсной фазы.

3. Для случая мелкодисперсной примеси проведена редукция уравнений, описывающих двухскоростной континуум газа и частиц, к односкоросгной диффузионно-инерционной модели, в рамках ксторой концентрации частиц рассчитывается на основе уравнения диффузионного типа с учетом процессов турбулентной диффузии, турбулентной миграции, действия массовых сил и отклонения траекторий частиц от линий тока газа.

4. Выполнены расчеты динамики дисперсной примеси в свободных 1. ¡закрученных и закрученных турбулентных осесиммет-ричных струях. Показано, что обнаруженные в экспериментах аномальные распределения концентрации & струях (эффекты "шнурования" и "волнообразования") обусловлены процессами турбулентной миграции частиц в неоднородном поле пульсационных характеристик газовой фазы. Г случае воздействия на частицы внешних массовых сил (например, центробежш : силы) пренебрежение при расчетах пр ц.с-са::и осредненного (одножидкостные локаль.ю-гомогенные модели) и пульсациокного (детерминированные лагранжевые модели) скольжений приводит к качественно неверным результатам.

5. Разработана модель для расчета сепарации полидислерсной илаги в циклонные аппаратах, использующая диффузионно-инер-ционн) л модель для описания мелких капель и детерминированную модель Лагранжа для грубс тисперсных аэрозолен. Выполнен цикл

оптимизационных расчетов сепарацибнных устройств с различной геометрией.

6. На основе локально-неоднородной двужидкостной модели описания турбулентного г. зодисперсного потока выполнены расчеты аэродинамики в прямоточных и вихревых камерах сгорания, а также эжекционных соплах для абразивной оезки тонких листов металла. Проанализированы процессы взаимодействия частиц с присоединенными и свободными рециркуляционными зонами, образовавшимися в результате расширения потока и е, > закрутки.

7. Построено кинетическое уравнение для функции плотности верочтлости распределения химически реагирующих частиц в фазовом пространстве координат, скоростей, температур и масс. Разработана процедура осреднения скоростей химических гетерогенныл реь.сий Аррениуссовского типа с использованием полученного решения уравнения для ФПВ распределения частиц по температурам. Проанализировано влияние пульсационной структуры потока на процессы химического реагирования одиночных частиц и воспламенениг газовзвеси при горении и газификации углерода. Выявлены механизмы стохастического воспламенения и погасания частиц.

8. В рамках теории взаимопроникающих континуумов разработана математическая модель расчета неизотермич^ских газодисперсных турбулентных потоков, описывающая процессы выхода и горения лтучих, гетерогенной и гомоген ой кинетики» радиационного теплообмена. Проведены численные исследования совокупности физико-хт'мических процессов, протецаюш1 х при г^регчи твердых топлив в осесимметричных камерах сгорания в условиях прямоточ! лх и закрученных факелов, а также при па; зкисородн Й газификации пс ; давлением!! поточном решпоре.

9. Ел основе разработанных моделей они лния химически-реагирующих газодисперсных турбулентных потоков созданы п.^грам-мные комплексы РЬАМЩГЮБ) и ESTГAC(WINDOWS) для расчета осредненных и пуяьсационных характеристик газовой и дисперсной фаз ори горении и газификации твердого топлива в осесимметри» шх камерах сгорания.....

10. Разработай« математическая модель расчета процесса сжигания твердого топлива в В хококонцентрированных циркуляционных системах с учетом взаимосвязи функциональных элементов (топочная камера, циклои.реактср-пиролизср и т.д.). Выполнены численные

исследования характеристик сжигания твердого топлива с использованием технологии циркулирующего аэрофонтанного слоя. Определено влияние конструктивных и режимных параметров на эффектность термической переработки твердого топлива.

Осиовиое содержание диссертации опубликовано в следующих печатных работах:

1.Волков Э.П., Зайчик Л.И., Першуков В.А. Моделирование горения твердого топлива. М.: Наука, 1994, 320 с.

2.3айчик' Л.И., Першуков В.А. Турбулентное горение мелкодисперсного твердого топлива // Труды I Минского Межд. Форума по тепломассообмену, ММФ-1, 1988, ТЛИ.

3.Ерошенко В.М., Зайчик Л.И., Першуков 8.А. Влияние размеров сопла на автомодельные турбулентные струи //Численные решения задач механики жидкости и газа. Днепропетровск: ДГУ, 1988, 59-63.

4.Горячев В Д., Ерошенко В.М., Зайчик Л.И., Першуков В. А., Рабовский В.Б. Численное моделирование турбулентного горения пылеугольного Toiuih.ia в топочных камерах //Тез. докл. Всесоюзл. конф. "Теплообмен в парогенераторах". Новосибирск. 1988, 131-U2.

5.Винберг A.A., Зайчик Л.И., Першуков ВЛ. Оспенное моделирование распространения мелкодисперсной примеси в турбулентном потоке//Тр. н. техн. конф. "Проблемы аэродинамики газовоэдуш-ных трактов котельных агрегатов", Барниул, 1989.

6.Винберг A.A., Зайчик Л.И., Першуков В.А. Диффузионно-миграционное описание распространение и осаждения мелкодисперсной примеси в турбулентных п. токах // Турбулентные течения и^ техника эксперимента. Таллинн, 1989.

7.3айчик Л.И., Першуков ВА Горение мелкодисперсного твердого топлива в турбулентном потоке // Физика горения и взрыва, 1990, N5,42-52.

8.Z.iichik LI., Petshukov V.A. The mathematical model of the dispetscd-solid fuel combustion in tuibulent Cjw// Proceedings of the Fust Asian-Pasific Intentional Symposium on Combustion and Energy Utilization. Beijing, October 15-18, 1990, 165-172.

9.Винберг A.A., Зайчик Л.И., Першуков B.A. Диффузионно-миграционное описание распространения мелкодисперсной примеси в .урбулентной струе // Инженерно-физический журнал. 1990, Т.59, N 4, 609-614.

10.Волков Э.П., Зайчик Л.И., Першуков В.А, Алешечкнн АН. Моделирование сжигания твердого топлива в циркуляционных системах // Докл. АН СССР. 1990, Т. 314, N 3,622-624. II,Зайчик Л,И., Першуков В.А. Влияние частиц на начальную стадию вырождения однородной турбулентности //Инж.-физ. журн.

1990, Т. 58, N 4, 556-560.

12.Авакян В.А., Першуков В.А. Влияние пульсаций температуры на парокиелородную газификацию кокса АШ // Тепдофизические и термохимические процессы в энергетических установках. М.: ЭНИН им. Г.М.Кржижановского, 1990, 63-72.

13.Gonyachev V.D., Vinberg A.A., Pershukov V.A. Tuibulent (lows of polydispensive additive in separators and vortex chambers // Proc. Int. Syrap.DubrovnHc, Yugoslavia, 1990, 877-885.

14.3айчик Л.И., Першуков В.А. Математическое моделирование топочных процессов п камерных топках // Тез. докл. Всесоюзн. н,-техн. конф. "Математическое моделирование в энергетике - ЭНМО-90". Киев, 1990, Часть 2, 126-127.

15.Винберг АА., Зайчик Л.И., Першуков В.А. Модель расчета турбулентных газодисперсных струйных течений // Инж.-физ. журн.

1991, Т. 61, N 5, 554-563.

(б.Зайчик Л.И;, Першуков В.А. Влияние флуктуацнй температуры на гетерогенное горение частиц// Инж.-физ. журн. 1991, Т. 61, N 4, 533-539.

17.Волков З П.,Горячев П.Д., Гусев И.Н., Зайчик Л И., Першуков В.А Математическое моделирование т иочных процессов в камерных топках при сжигании пылеугольного топлива // Сибирс кий физ.-техн. журн. 1991, Вып.5, 122-125.

18.Горячей В. Д., Першуков В.А. Численное моделирование аэродинамики топочной камеры ;;отла П-57 // Сибирский физ.-техн. журн. 1991, Вып.5, 126-129.

19.Волков Э.П-, Зайчик Л И., Перепелкин A.B., Першуков В.А, Сабуров Л. В. Метод расчета сжигания твердого высокозольного топлива к циркуляционных системах // Изв. РАН Энергетика и транспорт. 1992, Т. 38, N 6, 93-104.

20. Волков Э.Й>, Зайчик ЛИ;, Першуков В А Моделирование сжигания вмсоюяального твердого топлива в циркуляционных системах // Инж.-фнз. журн. 1992, Т. 62, N 3, 427-435.

21.Винберг A.A., Зайчик Л.И, Псршуков В.А. Расчет переноса импульса и тепла в турбулентных газодисперсных струйных течениях // Изв. РАН МЖГ. 1992, N 3, 69-80.

22.Авакин В.А., Винберг A.A., Першу ков В.А. Осаждение мелкодисперсной примеси из турбулентных закрученных течений в каналах // Тоор. основы хм.. техенологии. 1992, Т. 26, N 5, 692-697.

23.Гуссв И.Н., Зайчик Л.И., Першуков В.А, Диффузионно-инерционная модель динамики мелкодисперсной, примеси в турбулентных потоках // Теор. оснопы хим. техенологии. 1992, Т. 26, N 4, 516520.. '.'■- ■.''"•■■ .;'; . .;;.:•'•'"V ■•. ..•'■•••

24.Алешечкип АН., Псрепслкин A.B., Першуков 8А, Сабуров A.B. Математическое моделирование процессов сжиган: я твердых топлив в циркуляционных системах //Труды II Минского Межд. Форума по тепломассообмену, ММФ -2, 1992, T.Iii, 121-124.

25.Винберг A.A.,Зайчик Л.И.,Першуков В.А. Модель расчета турбулентных газодисперсных струйных течений // Труды Н Минского Межд. Форума по тепломассообмену, ММФ-11, 1992, 128-132.

26.Горячев В.Д., Першуков В.А. Диффузионно-миграционная модель сепарации мелкодисперсной примеси // Инж.-физ. журн. 1992, Т. 63, N I, 58-62.

27.Винберг A.A., Кудрявцев Н.Ю., Першуков В.А. Численное моделирование горения и образования оксидов азотг в закрученных газодисперсных пламенах // Химическая физика процессов горения и взрыва. Горение. Тезисы X симпозиума по горению и взрыву, Черноголовка, 1992, 167-169.

28.Pershukov V.A., Zaichik L.I. Modelling two-phase chemical-reacting tuibulent flows// Proc. Jap.-Russ. Seminar, Cheniogolovka, 1993, 121122.

29.Горячев В Д., Першуков В.А. Система моделирования и анализа аэродинамики и про цесса горения угля с образованием окислов азота в турбулстных двухфазных потоках // Тез. докл. XV! конф. стран СНГ по вопросам испарения, горения и газовой динамики диспресных систем. Одесса, 1993, 121.

30.Винберг А А.,Зайчик Л.И..Першуков В.А. Расчет двухфазных закрученых струйных потоков // Изв. РАН МЖГ. 1994, N К 71-78.

31.3а.,чик Л.И., Козелев М.В.. Першуков В.А. Расчет турбулентных газолиспрссных течений г каналах с зонами рециркуляции // Изв.' РАН МЖГ. 1994. N 4, 65-75.

32.Zatchik L.f„ Pershukov V.A. Mathematical models for simulation of dynamics, heat and mass transfer and combustion in two-phase turbulent flows// Proc. Tenth Int. Heat Transfer Conf. Brihton., UK. 1994, Vol. 2, 171-176. :•'•■.

33.Gorynchev V.Q., Kozclev M.V., Peishukov V.A., Saenko V.N., Vinberg A.A., Zaichik L.I. ESTTAC-Eulerian Simulation of the Two-Phase Tuibulent Aerodynamics and Combustion // Proc. 4th Int. Conf. and Trade Show CAD/CAM and MULIMEDfA - CAMP '94, Budapest, Hungary, 1994,26-32.

34.3айчик Л;И., Першук в В.А. Математические модели для расчета движения и теплообмена в дисперсных турбулентных потоках // Труды Первой Росс. нац. конф. по тепломассообмену, Москва. 1994, Т. VH, 89-94.

35.Зайчик Л.И., Першуков В.А., Горячев В.Д., Козелев М.В., Вин-берг А.А. Моделирование горения твердого топлива в турбулентных потоках // Труды Первой Росс. нац. конф. по тепломассообмену, Москва. 1994, Т. Ш, 124-129.

Зб.Зайчик Л.И., Першуков В.А. Моделирование движения частиц в турбулентном потоке с учетом соударений // Изв. РАН МЖГ. 1995, N I, 62-78.

ПММ ЭНИНа Объем 1,5 п.л. Заказ 42. Тираж 30 ЭКЗ. Москва, Ленинский проспект, 19