автореферат диссертации по энергетике, 05.14.05, диссертация на тему:Численное моделирование тепломассопереноса и горения в турбулентных газодисперсных струйных потоках

На правах рукописи

ТКПЛОМЛССОПКРЕНОС'А И ГОРЕНИЯ В ТУРБУЛЕНТНЫХ тодип 1ЕРСНЫХ СТРУЙНЫХ ПОТОКАХ

('псииа/н.шмль (15.14 05 - Теоретические основы теплотехники

АВТОРЕФЕРАТ диссертации ии соискание ученой степени канлнлаш технических наук

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

Научный руководитель: доктор технических наук Л.И.Зайчик

Официальные оппоненты: доктор технических наук Е.В.Самуйлов

кандидат технических наук Н.Ю.Кудрявцев

Ведущая организация: Всероссийский научно-исследовательский и

проектно-коиструкторский институт атомного энергетического машиностроения (ВНИИАМ)

Зашита состоится "

4

• ¿ли

¡хм

цчо

1996 г. в /' часов на заседании диссертационного совета Д 144.0S.0S при Акционерном обществе открытого типа "Энергетический институт им.Г.М.Кржижановского"

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

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке АО "ЭНИН"

Автореферат разослан

« COtkt

QJJL 1996 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н.

Z гс\Г)иг- о к*) 4?_л/„ iff: о

Н.Ф.Васильева

ОБЩЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актутлыгасть проблемы

В настоящее время в энергетике при производстве тепловой и электрической энергии доля угля в структуре ресурсов топлива составляет примерно 26%, и наблюдается устойчивая тенденция сохранения, а в более отдаленной перспективе и увеличения доли угля в энергобалансе страны. Особенностью большинства энергетических углей является их невысокое качество (высокая зольность, пониженная теплота сгорания и реакционная способность), что требует существенного улучшения методов сжигания. Одновременно все большее значение приобретают экологические факторы, и поэтому проблемы снижения вредного воздействия промышленных установок на окружающую среду выдвигаются на одно из главных мест при разработке новых и модернизации существующих энергоустановок. Эффективное решение возникающих при этом проблем невозможно без качественного повышения уровня знаний о физико-химических процессах, протекающих при сжигании пылеуголь-ного топлива. Необходимая разработчикам технологических устройств информация может быть получена из экспериментальных исследований на лабораторных и натурных установках или в результате численного моделирования.

В последние годы наметилась тенденция смещения интересов теплофизиков-исследователей от физического моделирования к численному. Однако, количество работ, посвященных моделированию процессов горения в реальных технологических аппаратах, крайне ограничено. Основные сложности, возникающие при математическом моделировании процессов горения в пылеугольных потоках связаны с турбулентным характером течения, двухфазностью потока и протеканием гомогенных и гетерогенных химических реакций. Поэтому крайне актуальной является задача построения эффективных математических моделей, описывающих химически реагирующие турбулентные дисперсные потоки, и развития методов расчета.

Цель работы

Целью работы является построение математической модели для опи-

сання гидродинамики и теплообмена в турбулентных газодисперсных потоках с горящими угольными частиками, разработка комплекса программ н проведение численных расчетов течений в свободных пыле-угольных факелах и камерах сгорания.

Научная новизна

1. Разработана математическая модель, описывающая совокупность процессов гидродинамики, тепломассообмена, переноса излучения и горения в турбулентных газодиснерсных потоках. Модель построена на основе континуального эйлерова подхода для описания характеристик как несущей, так и дисперсной фаз н включает уравнения баланса турбулентной энергии газа, скорости диссипации турбулентной энергии газа и пульсационной энергии частиц.

2. На основе выполненных численных расчетов получены новые результаты по влиянию размера и концентрации частиц, а также степени закрутки потока на параметры течения в прямоточных и закрученных факела*, на размеры зон рециркуляции, пульсационные характеристики потока и поведение дисперсной примеси в прямоточных и вихревых камерах сгорания.

3. Получены новые численные результаты по влиянию состава и степени помола пылеугольного топлива на процессы выхода летучих, воспламенения и горения. Впервые расчетным путем исследовано влияние подсветки природным газом на процесс воспламенения топлива с малым содержанием летучих (Донецкий АШ).

Обоснованность научных положений н результатов исследования

При выполнении работы особое внимание уделялось тестированию модели путем проведения расчетов некоторых хорошо изученных одно-и двухфазных течений. Для большинства приведенных в диссертации результатов численных расчетов проведено сравнение с имеющимися в литературе экспериментальными данными, хорошее совпадение с которыми показывает адекватность предложенной математической модели. Подтверждением корректности математической модели и конкретных результатов но гидродинамике, теплообмену и химическому реагированию газодисперсных турбулентных потоков является также сравнение с

приводимыми в литературе теоретическими исследованиями других авторов.

Практическая ценность работы

Практическая ценность работы заключается в создании математической модели для описания осрсднепных и пульсационных скоростных и температурных характеристик газа и. частиц в химически-реагируютих дисперсных турбулентных потоках и разработке на ее основе программ для расчета совокупности физико-химических процессов в турбулентных потоках с горящими угольными частицами. Разработанная модель и программные средства могут быть использованы инженерами и конструкторами при проектировании новых и реконструкции действующих энергоустановок с многошинными рабочими телами, позволяют получать научно обоснованные рекомендации по повышению эффективности функционирования технологического оборудования.

Созданные на основе разработанной математической модели программные комплексы внедрены и используются в следующих организациях: ВНИИЛМ (г.Москва), КБ "Энергомаш" (г.Химки), ТвеПИ (г.Тверь), Electricity De' France (France, Paris), С.-ПбГГУ (г. С.-Петербург), ЭНИС (г.Электрогорск). Работа выполнялась по планам НИР Минтопэнерго, при поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований (гранты 93-02-15902 и 94-07-61227).

Автор защищает

1. Двухжидкостную математическую модель для описания переноса импульса и тепла н-химпчески-реагирующих газодисперсных турбулентных потоках.

2. Результаты расчетов турбулентных изотермических и неизотермических газодисперсных турбулентных струйных течений.

3. Результаты численного моделирования процессов горения угольной пыли в осесимметричных камерах сгорания.

4. Программы для расчета физико-химических процессов в турбулентных газодисперсных потоках.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на научно-технической конференции "Проблемы аэродинамики газовоздушных трактов котельных агрегатов" (Барнаул, 1989); XV Научном совещании по теоре-

тическим и прикладным аспектам турбулентных течений (Таллинн, 1989); научно-технической конференции "Математическое моделирование в энергетике" (Киев. 1990); Int. Syiup- Engineering Problems of Turbulence (Dubrovnik, Yugoslavia, 1990); VIII Symp. on turbulent shear flows (Munich, 1991); II Минском Международном Форуме но тепломассообмену (Минск, 1992); Первой Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 1994); 4th Int. Conf. and Trade Show CAD/CAM and MULIMEDIA (Budapest, Hungary, 1994).

Публикации

Материалы диссертации опубликованы в 13 печатных работах.

Структуря и объем диссертации

Диссертация состоит из виедения. четырех глав, заключения и списка литературы, содержащего 155 наименований; объем работы 136 страниц текста, иллюстрирована 58 рисунками.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, дана общая характеристика исследуемых проблем и сформулированы основные пели работы.

В первой главе рассматривается современное состояние теории турбулентных дисперсных потоков. Кратко описаны основные методы и подходы, применяемые при изучении турбулентных однофазных и двухфазных течений, а также при моделировании процесса горения твердого топлива в турбулентном потоке.

На основе анализа научных публикаций в теории двухфазной турбулентности можно выделить два основных подхода. Первый основан на смешанном зйлерово-лагранжевом описании движения среды: уравнения движения и энергии сплошной фазы представляются и решаются в эйлеровых переменных, а уравнения движения и теплопереноса дисперсной фазы записываются и решаются в лагранжевых переменных, т.е. интегрируются вдоль отдельных траекторий частиц. В настоящее время наибольшее распространение вследствие своей логической простоты получил именно этот подход. Однако применение этого метода целесообразно, в основном, только для моделирования двухфазных потоков с крупными частицами. Кроме того, в рамках лагранжева подхода сильно

затрулиено описание течений с большим количеством взаимосвязанных физико-химических процессов (например, горение, термическая деструкция и т.д.).

Альтернативой может служить подход, основанный на эйлеровом континуальном представлении уравнении для обеих фаз (так называемый диухжидкостный подход). Существенным преимуществом этого подхода но сравнению с лагранжевым траекторным является использование уравнений одного типа для обеих фаз и соответственно единого алгоритма для решения всей системы уравнений, а также его большая универсальность но отношению к диапазону изменения размеров частиц. Широкое применение двухжндкостного метола сдерживается, в первую очередь, недостаточным развитием теоретических моделей, особенно для существенно неравновесных течений с гетерогенными химическими реакциями.

В первой главе также сформулированы основные задачи исследования.

Вторая глава посвяшена построению замкнутой системы уравнений, описывающей хцмически-реагируюший газодиспер'сный турбулентный поток.

Рассматривается описание разреженного газодисперсного потока в эйлеровом представлении в рамках теории взаимопроникающих сред. Для получения осредненных уравнений движения и тепломассоперено-са применяется метод осреднения с весовой функцией, в качестве которой для параметров несущей фазы используется плотность газа р (осреднение Фавра), а для твердой фазы - плотность частиц Рр, умноженная на актуальную концентрацию дисперсной фазы ч>. Ниже представлена замкнутая система уравнений для описания химически-реагирующего турбулентного газодисперсного потока.

Уравнения для осредненных характеристик газа и частиц имеют вид

(2)

(О

(ди, шк гзо. ) , ,.]

фи, рр д

Л дхк Зх, с)хк

—у—- —+ Рр8у<и;и'к + р1, + <у,а>,,

ФрФУ. + 5ррФУ,Ч _ ^У:Ч) РрФ(Ц,-У,) ( Эх йхк ~ 5хк т»

дФ

+РРВ. («!"к + РрФ^. .

фн фикн г (. эт , . _ „

СРрРрФ(Т-©) сРрР|>та зф „

Фон, ФФЧН, гсррррф(у18') сРрРрФ(т-е)

5т йчк ¿хк т,

сррррт. ,, ' а „.

--—«-К^^-^-а^чЬ« •

(5)

(6)

(7)

где V; - скорость дисперсной фазы; Ы; - скорость газоиой фазы; Н - эн-талышя газовой фазы; - энтальпия дисперсной фазы; С; - массовые концентрации газовых компонентов в смеси; Ф - объемная концентрация дисперсной фазы; Р - давление в газовой фазе; р, Рр, Ср, Срр -плотности и теплоемкости газовой и дисперсной фаз; ц - коэффициент динамической вязкости газа; X - коэффициент молекулярной теплопроводности газовой фазы; Ц, - коэффициент молекулярной диффузии газовой компоненты в смеси.

Параметры вовлечения частиц в макропульсационное движение газа и в пульсационное поле температуры несущего потока определяются соотношениями

Ь-Ь«У*.-1+вр(-Уч).' (8)

^«»-ой-у*).

Время взаимодействия частиц с энергоемкими пульсациями газа Тр, временной масштаб пульсаций скорости Т„ и времена динамической и тепловой релаксации частиц ти и т( рассчитываются из соотношений

т Т. (2.У2 к

Т. = ; , Ь = 1^гк , Т, =а- , а = со1«1 ,

' ^1+(т„|и-У|/ь) Ь ) е (9)

т„ =

I Рр«)р I ' СРрРрС|р

18 ц (1 +0.25Яе°6,7)' = бХЫи,,

, N11. = 2 + 0/6КСр2 Рг'" .

Для замыкания представленной системы осредненных уравнений движения и тепломассопереноса газодисперсной химически-реа-гирующей среды (1)-(9) определяются турбулентные' напряжения (и;и<), тепловой <и;г> и массовый <и;с^) потоки в газовой фазе; турбулентные напряжения <у;у;> и тепловой поток <у;Э') в твердой фазе; масштаб турбулентности Ти (или диссипация турбулентной энергии е); средние скорости гетерогенных <ае)р и гомогенных (Б,,), реакций и корреляции (у;ге)р, (ДЬ'^аг),. С этой целью построены уравнения для вторых моментов пульсаций скорости и температуры газа и частиц с учетом взаимо- . действия газовой и дисперсной фаз и протекающих гомогенных и гетерогенных химических реакций. В результате редукции полученных уравнений для вторых моментов получено градиентное замыкание для тензора (у{у',> и выведено уравнение для пульсацнонной энергии частиц

. „о,

где Врк =(Уку'кае)Р/2-^кр(ае), - член, описывающий влияние гетерогенных химических реакций, для третьих моментов используется градиент-

ГЮ ~|дк„ Яс-

ное представление <у;у,у1 ) =-2^—г,(кр + = .

Уравнения для пульсацнонной энергии газа и скорости ее диссипации имеют вид

Гзк „ эк V а Г( лМек]

— ар „ „ ~и'клс7-ре-р к~ к *

2р.<1> р. дФ

Ак = -^-(1 - г*)к-хи, - У .

рт„ р сЧк

Вк = (и, - Ч)(и'кш>, и'кУк)») +к<*>, ■

(И)

(де. ., лЛ ,. е ^ги. д U n L 1

£J

-C,JPY-pA,-2(l-f.)6<a;>r,

Рт.

Для определения граничных условий используется метод пристеночных функций Патан кара-Сполдинга для головой фазы. Для характеристик дисперсной фазы использованы граничные условия в форме пристеночных функций, полученных в книге Э.П.Волкова и др. "Моделирование горения твердого топлива".

Описание кинетики гомогенных химических реакций основано на модели Магнуссена, учитывающей пульсации концентраций газовых компонентов и описывающей процесс турбулентного смешения. Гетерогенные химические реакции описываются на основе модели Аррени-уса. Для описания реагирования натурального твердого топлива используется . модель жесткого золового каркаса, в рамках которой размер частиц предполагается постоянным, а в результате конверсии углерода изменяется их плотность.

Радиационный перенос в газодисперсной среде описывается в рамках приближения серого тела на основе модифицированного для случая двухфазного потока моиентного метода Де-Марко-Локвуда, Радиационные характеристики газовой смеси и частиц угля рассчитывались с использованием эмпирических соотношений дня степени черноты и теории Ми для одиночных частиц. Индикатриса рассеяния определялась с использованием приближения дельта-Эдцинггона.

Численное интегрирование системы уравнений производится при помощи метода контрольного объема, основанного на интегральных законах сохранения. Для определения поля давления используется алгоритм SIMPLE.

В третьей главе приведены результаты применения разработанной модели для расчетов турбулентных газодисперсных течений в свободных и ограниченных осесимыетричиых струях.

На основе решения системы (1)-(12) выполнены расчеты распрост-

ранения инерционной Примеси в прямоточных струйных потоках. Апробация предлагаемой модели расчета гатодиспсрсного течения выполнена путем сравнения с экспериментальными данными различных авторов. На рис.| представлено сравнение расчетных и экспериментальных данных по затуханию осевых скоростей Газа и частиц по длине струи. Видно, что присутствие дисперсной фазы приводит к увеличению дальнобойности струи по сравнению с однофазным течением, при этом в силу их инерционности затухание продольной скорости частиц происходит медленнее, чем скорости газа. Присутствие в потоке очень крупных частиц (с1р=500 мкм) не оказывает существенного влияния на осредненные характеристики потока, и затухание продольной скорости газа двухфазной и однофазной струй происходит практически одинаково.

и-

Но и,

■У».

Рис. I. Затухание скоростей частиц (/) и газа (.2) вдаль оси струи а-4=170 мкм, Мо=0.32; б- 500 мкм (0.85); в - однофазное течение.

Рис. 2. Профили скоростей частиц (10=50 мкм (Ли газа (Л при х/Е>о=20 а - Мо=0-32; б - 0.85; в - однофазное течение.

Эксперимент Твид е! а1. 1988. - Эксперимент Мо<1агге55 е! а1. 1984

Результаты расчета радиальных распределений осредненных скоростей газовой и дисперсной фаз приведены на рис.2. Существенным эффектом, полученным как в расчетах, так и в экспериментах, является уменьшение ширины струи и увеличение ее дальнобойности. Следует отметить, что использование для расчета турбулентной энергии частиц уравнения переноса (10) приводит к уменьшению различия скоростей несушей и дисперсной фаз по сравнению с результатами вычислений с привлечением локально-однородногх) соотношения кр=Гцк. Однако, в целом, в струйных потоках учет нелокальности при расчете кр существенного влияния не оказывает.

8.Т Т^Т

'»-Оо-т.

Результаты расчетов изменения температур дисперсной и несущей фаз вдоль оси струи представлены на рис.3. Для крупнодисперсной примеси (с!р=500 мкм) межфазный теплообмен практически отсутствует,

и температура частиц остается неизменной по длине струи, в то время как изменение температуры газа происходит в соответствии с закономерностями, справедливыми для однофазного потока, о чем свидетельствует сравнение с экспериментальными данными. С уменьшением размера частиц происходит интенсификация межфазного теплообмена. Сравнительные расчеты, выполненные с использо-

• » а л>|

Рис. 3. Затухание температуры газа (а) н частиц (б) шаль оси струи 1- <10=500 мкм (Мо=0.86); 2- 50 мкм (0.32); 3 г однофазная струя. а,б - расчет в локальном приближении; в - с использованием уравнения переноса

ванием' уравнения переноса для радиального турбулентного теплового

V

потока дисперсной фазы и градиентного представления =

показали, что влияние конвективного и диффузионного механизмов переноса (УГЭ') проявляется только для инерционных частиц. Учет этих механизмов при расчете корреляции (Уг3') приводит к более быстрому выравниванию температур несущей и дисперсной фаз.

Выполнен анализ распространения дисперсной фазы в слабозак-рученных свободных потоках, несущих частицы <3р=39 мкм с начальной массовой концентрацией Мо—0.2 (эксперимент Ви1гал е( а1. 1987). Для определения начальной окружной скорости использовался закон вращения твердого тела

Ури^е/ат Трр^г2*

и^ = 28ии0г /Ио, Ув, = У0г /Я0, вц ■

-, 8У =

Яо 1Р

РрЧ'ГЛ

Яо^ри^гЛ-

о в

где Бц , Бу - интегральные параметры закрутки газовой й твердой фаз.

На рис.4 представлено сравнение расчетных и экспериментальных

данных по затуханию продольной скорости газа на оси струи, отнесен-

ной к скорости на срезе сопла при различных значениях начальной закрутки потока. Из графика видно, что с ростом закрутки потока в начальном сечении струн происходит более интенсивное затухание осевой скорости несущего потока. Присутствие в потоке дисперсной фазы приводит к существенному росту дальнобойности струи по сравнению с однофазным потоком.

О 10 30 30 х£>д

Рис. 4. Затухание осевой скорости газа в закрученной струе

I - Би (Яу )=0.0; 2- 0.16 (0.08); 3 - 0.3 (0.12); 4- однофазная струя 0.19; 5 - однофазная струя 3и=0.33;

01 о; их

Рис. 5. Сравнение результатов расчетов радиального распределения массового потока частиц, выполненных по различным моделям при Sd=0.16, Sv=0.0S 1 - DSF; 2- LHF; 3-SSF; 4- модель (1)412)

Проведено сравнение результатов применения различных моделей для описания закрученного струйного потока. Рассмотрены три модели: 1) модель DSF - расчет движения частиц вдоль отдельных траекторий без учета из взаимодействия с пульсацнонным полем потока; 2) модель LHF - расчет в предположении, что двухфазный поток может быть описан как однофазный путем введения эффективной плотности рт=р+ррф, значение которой изменяется в зависимости от локальной концентрации частиц; 3) модель SSF - расчет с учетом стохастического характера движения частиц в рамках лагранжевого подхода. На рис.5 представлено сравнение экспериментальных данных с расчетами по описанным моделям. Модель LHF приводит к монотонному затуханию профиля концентрации, характерному для случая однофазного потока. Модель DSF предсказывает сильное разрежение в центральной части струи и резкий максимум концентрации дисперсной фазы на периферии - данное обстоятельство обусловлено отсутствием в модели DSF переноса частиц турбулентными вихрями несущего потока. Наиболее

хорошее согласие с экспериментом получается при использовании модели SSF и модели, защищаемой автором, что подтверждает необходимость учета эффекта турбофореза (воадечение частиц в неоднородное пульсацмоннос иоле газовой фазы).

Для анализа динамики частиц в пристеночных циркуляционных зонах выполнены расчеты лнухфашого турбулентного течения в цилиндрической камере сгорания с внезапным расширением (эксперимент Haiin & Sohn 1988). На рис. 6. представлены линии тока, формирующиеся в потоке, а также линии кулевых скоростей газа и частиц. С ростом размера частиц зона обратных токов дисперсной фазы заметно уменьшается, что обусловлено увеличением их инерционности. При этом профиль скоростей дисперсной фазы стремится к стержневому виду, что хорошо согласуется с экспериментальными данными по динамике крупных частиц в цилиндрических каналах.

в циркуляционной юмс в камере смешения / - скорость газа, 2 - скорость частиц dp=IO мкм, 3 - 46 мкм, 4 - 100 мюи: а - линии нулевых скоростей, Ь - гранича циркуляционной зоны

Исследование динамики частиц в свободных циркуляционных зонах выполнено на основе численного моделирования закрученного течения в камере сгорания (эксперимент Sommerfeld & Qiu 1991). На рис.7 представлена общая картина течения. В результате интенсивного вращения формируется свободная циркуляционная зона в центральной части потки. И облает внезапного расширения происходит формирование нрнсослнненноп uiixprnoii и>ны. 11 силу инерционности дисперсной фа-

зы зона обратных токов для частиц заметно уменьшается по сравнению с зоной обратных токов в газе. С увеличением размера частицы могут полностью не вовлекаться в циркуляционный поток и сохранять положительную осевую скорость но всей длине камеры. На рис.8 представлено сравнение расчетных и экспериментальных профилей тангенциальной скорости фаз в различных сечениях аппарата. Полученные расчетные характеристики удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными. Интересно отметить, что как в, экспериментах, так и в расчетах наблюдаются зоны, характеризуемые более высокой интенсивностью пульсаций дисперсной фазы по сравнению с пульсациями несущего потока. Данное обстоятельство определяется эффектами "памяти" частиц, приводящими к переносу пульсаций из области с ви-к'ок.ой интенсивностью пульсаций в область с низкой интенсивностью пульсаций газовой фазы. Наличие таких эффектов свидетельствует об ограниченных возможностях локально-однородного приближения при описании пульсационной структуры частиц в вихревых камерах сгорания.

Рис. 7. Распределение линий тока в объеме камеры смешения

_а—12мм _»-151 нм н|Им__ьлы

1 »ТО ) '

1 ч 1 «Л > ^ • в\ ») •V N

в э • т/л 0 3 н/® о 1 м/л 0 1

Рис. 8. Радиальные распределения тангенциальных компонент скорости газа (о) и частиц (<!) <1р=30 мкм

В четвертой главе приведены результаты использования разработанной модели для расчетов хиинчески-реагирующих турбулентных газо-дисперсиых течений в прямоточных и вихревых камерах сгорания.

Для описания процессов, протекающих в камерах сгорания и пылега-зовых факелах, необходимо определить начальные условия на входах в аппарат и привести имеющуюся информацию о свойствах топлива к необходимому структурному виду, соответствующему выбранной схеме. Для характеристики твердого топлива задается его элементный состав, масса летучих, калорийность топлива. В рамках выбранном схематизации полагается, что кислород н водород полностью входят в состав летучих.

Рис. 9. Линии равных значений массовой концентрации метана; распределение изолиний массовой доли фиксированного углерода в пылсугольном факеле

На рис.9 показана геометрия моделируемого реактора (эксперимент Jang & Acharya 19S7). Поток газовзвеси формируется в результате смешения первнчного газодисперсного и вторичного газового потоков. На этом же рисунке приведены рассчетные данные по концентрациям метана, содержащегося в летучих и связанного углерода. Видно, что максимальная концентрация метана наблюдается именно в той области камеры сгорания, где происходит воспламенение. Основной особенностью анализируемого режима является отсоединение факела от устья горелки, что приводит к резкому росту температуры на существенном расстоянии от входа (рис. 10). Такой характер изменения температуры свидетельствует о задержке воспламенения, связанной с поздним выходом летучих компонентов твердого топлива.

На рис.11 представлены расчетные и экспериментальные данные по изменению объемных мольных концентраций Ог и СОг по оси камеры сгорания. Видно, что после резкого снижения концентрации кислорода в области точки воспламенения наблюдается слабое ее повышение, обуслоаченное диффузией окислителя из обедненной топливом периферийной зоны.

т. к

2300

1400

300 ".

о

Рис. 10. Распределение температуры raía Рис. II. Изменение концентрации кис-

Разработанная в диссертации математическая модель химически-реагирующего газодисперсного потока использована для анализа воспламенения твердого пылевидного топлива с малым количеством летучих (Донецкий АШ) в условиях подсветки природным газом. Для анализа критических условий воспламенения выполнены расчеты течений с различным массовым расходом метача в первичном потоке.

Рассматриваемая геометрическая структура камеры сгорания (аналогичная рис. 9) приводит к образованию обширной присоединенной зоны рециркуляции, обеспечивающей подвод горячих продуктов сгорания к устью горелочного устройства. Анализ аэродинамических характеристик газодисперсного потока показывает, что в данном случае динамическая инерционность частиц не играет существенной роли, т.е. профили скоростей газовой и дисперсной фаз оказываются достаточно близкими. В качестве базового был выбран режим, для которого воспламенения дисперсного топлива в отсутствии. подсветки природным газом не происходит. Добавление незначительного количества метана не приводит к качественной перестройке потока. Дальнейшее увеличение Концентрации метана в первичном потоке приводит к качественной перестройке потока и воспламенению твердого топлива. После воспламенения твердого топлива, которое происходит на достаточно коротком расстоянии от ввода газодисперсного потока, температура частиц практически во всей области потока превышает температуру газа. Такой характер изменения © обусловлен интенсивным горением связанного углерода. Полного сгорания углерода удастся добиться только При значительном уменьшении помола исходного топлива. На рис.12 приведены графики

вдоль mi камеры сгорания.

лорею (1,3) и углекислого raja (2,4) по . длине камеры сгорании.

Рис. 12. Изменение механического недолог.! но длине камеры сгорания при различной степени подснетки природным ппом / -Са,4Н)%. 2- 5%,3- 20%. 4-20% (тонкий номад»

изменения средней по сечению массовой доли углерода (механический недожог) по длине аппарата для частиц различных размеров. Как следует из данного графика, геометрические и режимные параметры рассматриваемой камеры сгорания обеспечивают сжигание дисперсного топлива только тонкого помола.

Стандартным способом стабилизации пылеугольного факела и улучшения процесса воспламенения является закрутка вторичного газового потока. В диссертации выполнен комплекс расчетов по моделированию вихревого факела, формирующегося в экспериментальной камере сгорания стенда RISO (Дания). Сильная закрутка потока после горелки приводит к образованию центральной циркуляционной зоны, в которой происходит выход летучих и воспламенение как продуктов пиролиза, так и кокса. На рис. 13 представлены поля концентраций газовых компонент. Формирование высокотемпературного ядра газов рециркуляции вблизи оси приводит к быстрому выходу и сгоранию летучих компонент, что облегчает процесс воспламенения твердого топлива. Однако высокая степень закрутки потока может приводить к на-бросу частиц, имеющих температуру выше температуры плавления золы («1500°К), на неохлаадаемуе торцевые поверхности камеры сгорания. Этот процесс может сопровождаться налипанием несгоревших частиц на поверхность и образованием очагов поверхностного горения. Как следствие, в результате повышения температуры продуктов горения и. увеличения пульсаций давления может произойти наброс факела на стенку реактора. Подобная картина течения - отклонение факела от оси

Рис. 13. Распределение содержания углерода (о), летучих (Ь) и гашиых компонент (с - Ог, 4 - СОг) в объеме камеры сгорания

н прилипание к стенке (аналог эффекта Коанда) наблюдается и в экспериментальных исследованиях.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ДИССЕРТАЦИИ

1. В рамках двухжидкостного подхода построена математическая модель, описывающая процессы гидродинамики, теплообмена, переноса излучения и горения в газодисперсных турбулентных потоках. Отличительной особенностью построенной модели является согласованность описания осредненных и пульсациоиных Характеристик газовой и дисперсной фаз, заключающаяся в использовании модифицированной двухпараметрической к-е модели турбулентности для описания газовой фазы и уравнения пульсационной энергии частиц кр для описания дисперсной фазы. Осредненные и пульсационные характеристики дисперсной фазы описываются уравнениями эллиптического типа, что согласуется с формализмом описания газовой фазы. Граничные условия для характеристик дисперсной фазы получены в форме "пристеночных функций", что полностью согласуется с методологией расчета однофазных турбулентных течений.

2. Выполнены расчеты динамики дисперсной примеси в свободных незакрученных и закрученных турбулентных осесимметричных струях. Показано, что результаты, полученные на основе предлагаемой математической модели хорошо согласуются с ранее полученными экспериментальными данными по уменьшению ширины струи и увеличению ее дальнобойности, а также уменьшению интенсивности пульсаций несущей и дисперсной фаз с ростом массовой концентрации частиц.

3. В расчетах газоднслсрсных течений в цилиндрических камерах сгорания проанализированы процессы взаимодействия частиц с присоединенными и свободными рециркуляционными зонами, образовавшимися в результате расширения потока и его закрутки. Показано, что из-за присутствия в потоке частиц происходит значительное уменьшение области, занятой зоной рециркуляции. С увеличением размера частиц происходит снижение степени вовлечения дисперсной фазы в циркуляционное течение. Большие градиенты скоростей несушей и дисперсной фаз приводят к образованию существенно неоднородного поля турбулентных пульсаций с наличием глубокого минимума в приосевой области и максимума в области разделения основного потока и зоны обратных токов. Эта неоднородность, в силу турбулентной миграции частиц, направленной в сторону уменьшения пульсационной энергии газа, приводит к резкому сокращению диффузионного обмена частицам» между зонами основного и рециркулирующего течений.

4. Проведены численные Псследовання физико-химических процессов. протекающих при горении лылеугольного топлива в осесимметричных камерах сгорания в условиях прямоточных и закрученных факелов. Рассмотрено влияние состава топлива и режимных характеристик течений на процесс горения. Исследовано горение частиц угля с малым содержанием летучих и влияние подаваемого в топку природного газа на воспламенение и устойчивость горения пылеугольной смеси, проведена серия расчетов для определения оптимального расхода природного газа. Определено влияние степени закрутки потока в вихревых камерах сгорания на протекание процесса горения. Показано, что при использовании закручивающих устройств облегчается процесс воспламенения твердого топлива за счет быстрого выхода и сгорания летучих компонент в высокотемпературном ядре газов рециркуляции вблизи оси ка-

меры сгорания, однако высокая степень закрутки потока может приводить к набросу факела на стенку реактора.

5. На основе разработанной модели для расчета турбулентных газодисперсных турбулентных потоков созданы программные комплексы FLAME (для DOS) и ESTTAC (для WINDOWS) для расчета осреднен-ных и пульсационных характеристик газовой и дисперсной фаз при горении пылеугольного топлива в осесимметричных камерах сгорания.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЕ

1. Винберг A.A., Зайчик Л И., Першуков В.А. Численное моделирование распространении мелкодисперсной пр«меси в турбулентном потоке // Тр. н.-техн. конф. "Проблемы аэродинамики газовоздушных трактов котельных aipeгатон", Барнаул, 1989.

2. Винберг A.A., Зайчик Л.И., Першуков В.А. Диффузионно-миграционное описание распространения и осаждения мелкодисперсной примеси в турбулентных потоках // Турбулентные течения и техника эксперимента, Таллинн, 1989.

3. Авакян В.А., Винберг A.A., Горячев В.Д. Математическое моделирование сепарации полидисперсной примеси в энергетических установках // Тр. н.-техн. конф "Математическое моделирование в энергетике", Киев. 1990.

4. Винберг A.A., Зайчик Л.И., Першуков В.А. Диффузионно-миграционное описание распространения мелкодисперсной примеси в турбулентной струе // Инж.-физ. жури. 1990. Т.59, N 4. С. 609-614.

5. Goryachev V.D., Vinberg A.A., Persliukov V.A. Turbulent flows of poly-dispersive additive in separators and vortex chambers // Proc. Int. Symp. Dubrovnik, Yugoslavia, 1990. P. 877-885.

6. Винберг A.A., Зайчик Л.И., Першуков В.А. Модель расчета турбулентных газодисперсных струйных течений // Инж.-физ. жури. 1991. Т. 61, N 5. С. 554-563.

7. Zaichik LI., Vinberg A.A. Modeling of particle dynamics and heat transfer in turbulent flows using equations for first and second moments of velocity and temperature fluctuations // Proc. VII1 Symp. on turbulent shear flows, Munich, 1991. P. 10.2.1-10.2.6.

8. Винберг A.A., Зайчик Л.И., Першуков ВА Расчет переноса импульса и тепла в турбулентных газодисперсных струйных течениях // Изв. РАН МЖГ. 1992. N 3. С. 69-80.

9. Авакян В.А, Винберг АА, Першуков ВА Осаждение мелкодисперсной примеси из турбулентных закрученных течений в каналах // Те-ор. основы хим. технологии. 1992. Т. 26, N 5. С. 692-697.

10. Винберг АА.,Зайчик Л.И.,Першуков ВА Модель расчета турбулентных газодисперсных струйных течений // Труды И Минского Межд. Форума по тепломассообмену, ММФ-Н, 1992. С. 128-132.

11. Винберг A.A.,Зайчик Л.И..Першуков В.А. Расчет двухфазных зак-рученых струйных потоков // Изв. РАН МЖГ. 1994. N 1. С. 71-78.

12. Goryachev V.D., Kozelev M.V., Pershukov VA, Saenko V.N., Viriberg АА, Zaichik L.I. ESTTAC - Eulerian Simulation of the Two-Phase Tuibulent Aerodynamics and Combustion // Proc. 4th Int. Conf. and Trade Show CAD/CAM and MULIMEDIA - CAMP '94, Budapest, Hungary, 1994. P. 26-32.

13. Зайчик Л.И., Першуков B.A, Горячев ВД, КозеЛев М.В., Винберг АА Моделирование горения твердого топлива в турбулентных потоках // Труды Первой Росс. нац. конф, по тепломассообмену, Москва, 1994. Т. III. С. 124-129.