№ 3
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2013
УДК 532.517.4, 532.525.2, 532.556.2, 532.574.7
© 2013 г. ДУЛИН В.М.1'2, МАРКОВИЧ Д.М.1'2, МИНАКОВ А.В.1'2, ХАНЪЯЛИЧ К.1'2, ЧИКИШЕВ Л.М.1'2
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ И ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЗАКРУЧЕННОГО ТЕЧЕНИЯ В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ
Приведены результаты экспериментального и численного исследования закрученного потока при горении обедненной метано-воздушной смеси в модельной камере сгорания при атмосферном давлении. Для исследования нестационарного турбулентного течения были использованы панорамный метод измерения скорости потока и расчет методом крупных вихрей. Численное моделирование распада вихревого ядра потока и топологии формирующихся в нем крупномасштабных вихревых структур показало хорошее совпадение с экспериментом. Анализ полученных данных показал, что для сильной закрутки потока, как и в случае течения без горения, динамика потока с горением определялась глобальной азимутальной модой неустойчивости, соответствующей интенсивной прецессии вихревого ядра. В случае стабилизации слабой закруткой пламя имело схожие характеристики устойчивости и компактности, но пульсации скорости в потоке соответствовали развитию только локальных мод неустойчивости. Таким образом, другой тип распада вихря в случае слабой закрутки, для которого отсутствовала центральная зона рециркуляции, не только благоприятен с точки зрения снижения выбросов N0^, но и оставляет возможность эффективного использования активных методов управления потоком и процессом горения. В частности, данный результат может быть использован для устранения термоакустического резонанса в камерах сгорания.
Введение. Закрученные пламена часто используются в горелочных устройствах благодаря тому, что закрутка потока обеспечивает высокую эффективность поджига пламени, устойчивость горения для широкого диапазона расходов топлива и окислителя, а также компактность зоны горения [1—4]. Одной из причин этого является то, что для закрученных потоков, испытывающих спонтанное расширение, характерен распад вихревого ядра и возникновение центральной зоны рециркуляции. Возвратное течение обеспечивает тепломассобмен (в т.ч. свободными радикалами) между продуктами горения и подаваемыми реагентами. Распространенной технологией снижения вредных выбросов N0^ и СО в камерах сгорания является сжигание предварительно перемешанных компонент смеси топлива и воздуха при значительном избытке последнего [5—7]. Невысокая температура пламени позволяет добиться выбросов оксидов азота <9 ррт на 15% О2. Сложность реализации данной технологии — высокая чувствительность бедного пламени к возмущениям, что в частности может приводить к термоакустическому резонансу в камере сгорания [9, 10]. Лежащие в основе этого явления механизмы определяются сложным взаимодействием между гидродинамической структурой потока, полем давления, процессами переноса и химическими реакциями, которые недостаточно изучены. Многообещающей стратегией дальнейшего сниже-
1Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН.
2Новосибирский государственный университет.
ния выбросов NOX при горении углеводородного топлива является использование слабой закрутки потока [11]. В отличие от сильной закрутки, в слабозакрученном расширяющемся течении не возникает центральной зоны рециркуляции, но при этом пламя имеет схожие характеристики устойчивости и компактности, как и в случае сильной закрутки. Отсутствие зоны рециркуляции существенно сокращает время пребывания молекул азота и кислорода в области высокой температуры, что позволяет снизить уровень выбросов NOX до 5 ppm на 15% О2 [12]. Однако, применение технологии слабой закрутки в существующих ГТУ путем замены соплового блока осложнено тем, что уменьшение плотности газа в процессе горения может приводить к распаду вихревого ядра в потоке и формированию зоны рециркуляции [13]. При этом индуцированный горением распад вихря приводит к проскоку пламени внутрь горелочного устройства даже для больших расходов подаваемой смеси [13].
Детальные измерения в полномасштабных горелочных устройствах для оптимизации камер сгорания вряд ли возможны и очень дороги, а численные методы пока не достигли необходимого уровня для решения данной задачи. Очевидной стратегией является исследование фундаментальных аспектов реализации новых технологий на модельных горелочных устройствах лабораторного масштаба, обладающих практически важными особенностями реальных устройств с возможностью измерения характеристик протекающих процессов. Использование контактных методов может приводить не только к локальным возмущениям потока, но и существенно влиять на условия стабилизации пламени в целом [14, 15]. Таким образом, в реагирующих турбулентных течениях использование оптических методов измерения предпочтительно для получения надежных экспериментальных данных. Методика Particle Image Vfelocimetry (PIV) позволяет получать количественную информацию о пространственных распределениях мгновенной скорости потока. Активное развитие PIV алгоритмов, во многом схожих с алгоритмами машинного зрения, за последние 30 лет [16] сделало этот метод стандартным измерительным инструментом гидроаэродинамики, имеющим ряд преимуществ по сравнению с другими. Темпы развития производительности компьютеров и математических моделей, используемых в вычислительной гидромеханике, дают возможность для сокращения разрыва между фундаментальными теоретическими разработками в теории турбулентного горения и проблемами проектирования реальных технологических устройств для энергетического оборудования. Современные методы позволяют удовлетворительно моделировать сложные турбулентные течения, включающие такие процессы переноса и превращений как горение, кавитация и др. В частности метод моделирования крупных вихрей (Large Eddy Simulation, LES) часто применяется в последнее время для расчета турбулентного горения из-за своей способности разрешать крупномасштабные турбулентные пульсации скорости и удовлетворительно воспроизводить нестационарную динамику существенно анизотропных течений [17]. Таким образом, одновременное использование современных методов экспериментального и численного моделирования дает возможность верификации расчета и получения информации о сложных для измерения характеристиках.
Мотивация настоящего исследования обусловлена тем, что, несмотря на частое использование закрутки потока для стабилизации пламени в камерах сгорания ГТУ, изотермическая закрученная турбулентная струя, вытекающая в открытое пространство, является сложным гидродинамическим объектом, включающим в себя возникновение различных спиральных мод неустойчивости и формирование спиральных вихрей [18], распад вихревого ядра и т.д. В ряде работ отмечаются существенные отличия в топологии распада ядра и свойств вихревых структур в закрученных струях в зависимости от способа организации закрутки [19, 20]. Очевидно, что процесс горения в существенной степени усложняет структуру течения [13, 21].
Экспериментальная установка и методика исследования. Измерения проводились на стенде, состоящем из цилиндрической камеры сгорания с сопловым блоком, обеспечивающим закрутку потока, камеры смешения топлива и окислителя, набора расходомеров. В качестве топлива использовался метан (чистота газа 99%). Коэффициент из-
Рис. 1. Сменный лопаточный завихритель (а) слабая закрутка (угол наклона лопаток 30°), сильная закрутка — (б), угол наклона лопаток 55°, схема расположения завихрителя внутри соплового блока (в)
бытка топлива Ф определялся как отношение мольной доли топлива в подаваемой смеси к мольной доле при ее стехиометрическом составе и составлял 0,6. Горелочное устройство представляет собой профилированное сопло с установленным внутри сменным завихрителем (см. рис. 1). Выходной диаметр сопла d = 15 мм. Использовались два сменных завихрителя с различным углом наклона лопаток, при этом слабая и сильная степень закрутки потока S (см. [1]) составляла 0,41 и 1,0 соответственно. Камера сгорания представляла собой цилиндр из кварцевого стекла (внутренний диаметр D0 = 77 мм, высота 120 мм). Число Рейнольдса Re (построенное по диаметру d, среднерасходной скорости смеси и вязкости воздуха) было фиксировано и равно 5000. Эксперименты проводились при атмосферном давлении.
Стереоскопическая PIV система состояла из двойного импульсного Nd:YLF лазера и пары КМОП камер. Система работала в двухкадровом режиме с частотой измерений в 770 Гц. Задержка между двумя вспышками, определяющая смещение частиц на паре кадров, — 40 мксек. Плоскость лазерного ножа проходила в центральном сечении потока и имела толщину в области измерения 0,8 мм. Чтобы обеспечить PIV измерения, поток засевался частицами диоксида титана средним диаметром <1 мкм. Цифровые камеры оснащались узкополосными оптическими фильтрами, пропускающими излучение лазера и подавляющими свечение пламени. Полученные изображения частиц после вычитания фонового сигнала обрабатывались при помощи адаптивного итерационного кросс-корреляционного алгоритма (детальное описание алгоритмов обработки дано в [22—24]). Для калибровки камер стереосистемы использовалась калибро-
Рис. 2. Фотография режимов горения обедненной метано-воздушной смеси для случев сильной (а) и слабой (б) закрутки потока
вочная мишень, и алгоритм, автоматически корректирующий возможное рассогласование плоскости измерений и плоскости мишени.
Для численного расчета турбулентного закрученного течения использовался метод LES в трехмерной нестационарной постановке. Использовались области со структурированной и неструктурированной расчетными сетками с локальным сгущением вблизи сопла и области формирования факела. Общая детализация расчетной сетки составляла 1,4 млн узлов. При численном моделировании турбулентного горения был использован подход Eddy Dissipation Concept, предложенный в [25]. Данная модель горения наиболее универсальна, она позволяет получать достоверные количественные данные об основных параметрах процесса горения. В расчете использовался редуцированный механизм горения метана из четырех реакций [26], и фиксировался расход горючей см
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.