ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА,, 2014, том 33, № 10, с. 58-61
ГОРЕНИЕ, ВЗРЫВ И УДАРНЫЕ ВОЛНЫ
УДК 536.3
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЗАКРУТКИ СПУТНОГО ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ПОТОКА ВОЗДУХА НА ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ
ПАРАМЕТРЫ АЛЮМИНИЕВО-ВОЗДУШНОГО ФАКЕЛА © 2014 г. А. Г. Егоров1, А. С. Тизилов1*, В. Я. Ниязов2, В. А. Архипов3, О. В. Матвиенко4, 5
1Тольяттинский государственный университет 2Государственный казенный научно-испытательный полигон авиационных систем, Москва 3Научно-исследовательский институт прикладной математики и механики, Томск 4Томский государственный архитектурно-строительный университет 5Национальный исследовательский томский государственный университет *Е-таИ: andrewtizilov@mail.ru Поступила в редакцию 27.08.2012; после доработки 19.05.2014
Представлены экспериментальные данные о влиянии параметра закрутки и конструкции насадки на размеры зоны обратных токов, температуру и длину алюминиево-воздушного факела.
Ключевые слова: спутный поток, алюминиево-воздушная смесь, закрутка воздушного потока.
БО1: 10.7868/80207401X14100045
ВВЕДЕНИЕ
Исследование гидродинамики течения закрученных потоков представляет большой практический интерес в области авиационного двигателе-строения, а также при разработке технологических установок, в которых сжигание твердого топлива происходит в вихревом потоке активного газа. В литературе имеется большое количество публикаций, посвященных исследованию гидродинамики течения и процессу горения гомогенных и гетерогенных жидких топлив в закрученном потоке окислителя [1]. Вместе с тем в последнее время в качестве энергоносителей большой интерес представляют порошкообразные металлы, такие как алюминий, бор, магний и другие, поскольку они обладают высокой энергоемкостью [2]. Наиболее доступным металлом на сегодняшний день является алюминий, как в случае применения порошкообразного алюминия в качестве основного горючего для перспективных летательных аппаратов, так и в случае использования его в качестве исходного материала для синтеза новых соединений [3].
Эффективность процесса горения во многом будет зависеть от способа организации сжигания порошкообразного металлического горючего (ПМГ) в потоке газообразного окислителя. Для повышения эффективности сжигания ПМГ необходимы методы и способы, позволяющие воз-
действовать на основные параметры процесса горения посредством управления аэродинамикой течения металловоздушного потока.
Согласно экспериментальным данным [4, 5], закрутка спутного потока воздуха влияет на крупномасштабную структуру последнего и пропорционально своей интенсивности изменяет ширину струи, скорость эжекции, темп вырождения неравномерности, размер, форму и устойчивость факела и интенсивность процесса горения. Интенсивность закрутки обычно характеризуется параметром закрутки S, представляющим собой безразмерное отношение осевой компоненты потока момента количества движения (Ов) к произведению осевой компоненты потока количества движения (Ох) и эквивалентного радиуса сопла
я = св/(ох?).
В сильно закрученных потоках (параметр закрутки S > 0.6) имеются значительные осевые и радиальные градиенты давления, которые приводят к образованию центральной тороидальной вихревой зоны (ЦТВЗ), отсутствующей при меньших значениях параметра закрутки (^ < 0.6). Наличие ЦТВЗ способствует:
— уменьшению длины факела за счет повышения скорости эжекции воздуха из окружающей
Рис. 1. Схема экспериментальной установки (описание см. в тексте).
среды и увеличения интенсивности перемешивания вблизи среза сопла и границ зоны обратных токов;
— повышению устойчивости факела благодаря вовлечению горячих продуктов сгорания в зону обратных токов;
— уменьшению габаритов и увеличению времени жизни установки, поскольку стабилизация осуществляется аэродинамическими средствами на оси установки, что снижает необходимость дополнительного отвода тепла и уменьшает износ твердых поверхностей [1].
Следовательно, одним из способов управления такими характеристиками горения алюмини-ево-воздушного факела, как температура и длина, может стать закрутка спутного высокоскоростного потока воздуха, в котором факел распространяется [6]. Цель данной работы — исследование влияния параметра закрутки и конструкции насадки на длину зоны обратных токов, температуру и длину алюминиево-воздушного факела.
ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ
Для исследования влияния закрутки спутного высокоскоростного потока воздуха на параметры горения алюминиево-воздушного факела использовался один из стендов федерального казенного предприятия "Государственный казенный научно-испытательный полигон авиационных систем". Схема экспериментальной установки представлена на рис. 1.
Работа установки осуществлялась следующим образом. Под действием разряжения, создаваемого активной струей воздуха, истекающей из
сопла эжектора 1, порошок алюминия из бункера 3 через заборную трубку 2 подавался в приемную камеру эжектора 4. Из приемной камеры порошок попадал в камеру смешения эжектора 5, где он перемешивался активной струей воздуха до образования алюминиево-воздушной смеси, которая затем поступала в горелочное устройство 6 и воспламенялась от свечи зажигания 7. Посредством лопаточного завихрителя 10 создавалась закрутка спутного потока воздуха. Расходы воздуха и порошка алюминия регулировались при помощи электроклапанов 8 и 9 соответственно.
За лопаточным завихрителем на срезе горелоч-ного устройства устанавливались съемные насадки различной конструкции — диффузорная длиной 200 мм и цилиндрическая длиной 65 мм (см. рис. 2). Параметр закрутки S варьировался посредством изменения числа сменных плоских лопаток в кольцевом завихрителе.
Измерения температуры факела проводились при помощи тепловизора Thermo Tracer TH 7102. Кроме тепловизора, для определения температуры факела применялся метод прожигания сеток. Для этого использовались вольфрамовые, стальные и медные сетки, изготовленные из проволоки диаметром 1.5 мм. В качестве горючего использовалась топливная композиция из порошков марок АСД-1, АСД-4, ПА-1 (в соотношении 10 : 5 : 4 по объему).
ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКЦИИ НАСАДКИ
НА ДЛИНУ ЗОНЫ ОБРАТНЫХ ТОКОВ
Следует отметить, что детальное изучение газодинамики процесса закрутки воздушного потока, а также анализ характеристик зоны обратных
60
ЕГОРОВ и др.
Рис. 2. Диффузорная (а) и цилиндрическая (б) насадки.
______
_____
____ .______ ---- —
166
190
ь
ЗОТ
350
Рис. 3. Влияние формы насадки на контуры и длину ЦТВЗР: 1 — без насадки; 2 — цилиндрическая насадка; 3 — диффузорная насадка с углом раскрытия 60°. Размеры на рисунке — в мм.
токов проведены в работах [1, 7]. В настоящей работе визуализация структуры течения потока на выходе из насадки осуществлялась с помощью шелковинок, закрепленных в узлах сетки с ячейкой 15 х 15 мм, которая устанавливалась на оси потока.
На рис. 3 представлены результаты исследования влияния формы насадки на длину зоны обратных токов (ЬЗОТ) в потоке воздуха без горения. Из этого рисунка видно, что при одинаковом параметре закрутки Б = 1.8 в опытах без насадки (кривая 1) и с цилиндрической насадкой (кривая 2) длина зоны обратных токов в последнем варианте увеличилась. Этот факт объясняется тем, что за кольцевым лопаточным завихрителем с цилиндрической выходной частью образуется длинная тонкая зона обратных токов. С ростом интенсивности закрутки узкая зона обратных токов удлиняется и достигает максимальной протяженности приблизительно при Б ~ 2.0, затем, при дальнейшем увеличении параметра закрутки, зона обратных токов становится шире и короче [1].
При установке диффузорной насадки с углом раскрытия 60° длина зоны обратных токов составила порядка 350 мм (кривая 3 на рис. 3). Как видно, длина зоны обратных токов с диффузорной насадкой по сравнению с вариантом без насадки увеличилась в два раза. Полученные результаты подтверждаются данными из работы [1], где отмечено, что диффузорная насадка, установленная на выходе из закручивающего устройства, значи-
тельно увеличивает длину зоны обратных токов. При исследовании влияния параметра закрутки Б на длину зоны обратных токов для диффузорной насадки было получено, что с увеличением параметра закрутки Б от 1.8 до 2.0 длина зоны обратных токов увеличивается с 350 до 400 мм.
Таким образом, результаты исследования в изотермических условиях показали возможность образования за кольцевым лопаточным завихри-телем ЦТВЗ, форму и размер которой можно изменять как посредством изменения параметра закрутки, так и конструкции насадки. Необходимо отметить также, что в работе [8] установлено следующее: длина зоны обратных токов в потоке алюминиево-воздушной смеси с горением увеличивается в 1.4 раза по сравнению с холодным потоком.
ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКЦИИ НАСАДКИ НА ПАРАМЕТРЫ ФАКЕЛА
Испытания проводили на открытом стенде при атмосферном давлении и температуре 27— 30°С. Экспериментальная установка обтекалась потоком воздуха, скорость которого изменялась в диапазоне М = 0—0.6 (см. рис. 1).
Изменение температуры вдоль оси алюминие-во-воздушного факела в спутном потоке воздуха без закрутки и с закруткой при различных типах насадок показано на рис. 4. Из этого рисунка видно, что длина факела в испытаниях без закрутки воздушного потока (кривая 1) составляет 7 м, при
этом максимальное значение температуры наблюдается на расстоянии более чем 2 м от среза горелки. Распределение температур по радиусу в этом случае более равномерно. В варианте с цилиндрической насадкой (кривая 2) длина факела сократилась до 3 м, сместив максимум температуры на расстояние ~1.7 м от среза горелки, причем рост температуры в закрученном потоке начинается раньше. Уменьшение длины выгорания факела, увеличение температуры и смещение температурного максимума объясняется тем, что при закрутке спутного высокоскоростного потока воздуха с образованием ЦТВЗ за срезом горелки смешение ПМГ, продуктов сгорания и воздуха происходит быстрее, чем в незакрученном потоке.
Использование диффузорной насадки (кривая 3 на рис. 4) приводит к уменьшению длины факела до ~1.8 м, а максимальные значения температуры при этом зафиксированы на расстоянии менее 1 м
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.