Теплообмен и химическое реагирование в закрученных потоках тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

' 4 Ь V !

»

ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ И ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им Л ,В.КУЙЕ1ШВА

Научно-исследовательский институт прикладной математики и механики

На правах рукописи УДК 536.244.27:536.656.66 :662.612.1

МАТВИЕНКО Олег Викторович

ТЕПЛООБМЕН Й ХИМИЧЕСКОЕ РЕАШРОВАНИЕ В ЗАКРУЧЕННЫХ ПОТОКАХ

01.02.05 - механика жидкости, газа и плазмы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук .

Томск - 1Э91

Я'ш/к

Работа выполнена на кафедре математической физики Томского государственного университета

Научные руководители:

доктор физико-математических наук, профессор

Вилшов В.Н. кандидат физико-математических наук, доцент

Дик И.Г.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Шиляев М.И. кандидат физико-математических наук,

Пейгин С.В.

Ведущая организация - Институт Теплофизики СО АН СССР

Защита состоится "2.?" ил^окля 1991 г. в часов

Шл ■г^х-сг.с^гхи^,сл. К О

^^о/чсхОеи. /ос^лл^-ероапгстл (г ¡омсч, "уэ .■

С диссертацией »южно ознакомится в Научной библиотеке Томского Государственного Университета

Автореферат разослан

_1991 года

Ученый секретарь специализированного Совета к.ф.-м.н.

Игнатенко Н.А.

- з -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОШ

"Закрученные потоки представляют большой научный и практический интерес. В теплогенераторах, камерах сгорания и промышленных горелках закрутка создаётся для стабилизация пламени и увеличения скорости смешения продуктов. В теплообменниках закру -ченные потоки используются для увеличения теплоотдачи. Кроме того, большое значение шеет использование закрутки в аппаратах химической промышленности и других отраслях народного хозяйства.

Делыо настоящей работы является выяснение влияния закрутки на теплообмен, химическое реагирование и горение газовых потоков.

Научная новизна. В работе с единой точки зрения проведены систематические расчёты и изучены процессы тепломассопереноса в химически реагирующих закрученных потоках.

Впервые получены данные и теоретически предсказан эффект уменьшения критерия теплоотдачи в закрученном потоке с внутренним объёмным источником теша.

Впервые исследован теплообмен эндотермически реагирующего теплоносителя в условиях закрутки.

Детально исследованы особенности воспламенения в закрученных потоках. Показано, что с образованием рециркуляционной зоны в сильно закрученных потоках происходит смена механизма воспламенения: вместо самовоспламенения - зажигание потока горячит про-.дуктами реакции, рециркулиругацима в зоне возвратных течений.

Изучены критические условия воспламенения в турбулентных потоках. Получены аппроксимационные формулы для критерия теплоотдачи, критической интенсивности химической реакции и длины пред-пламенной зоны.

Практическая ценность работы. Результаты работа и использо -ванногчэ в них метода могут применяться для качественного и ко -личественного анализа процессов г. теплообменниках, химических реакторах, вихревых камерах.

Апробация работы. Результата работы докладывались на 4 Всесоюзных конференциях и школах - семинарах:

I. Всесоюзная школа-семинар молодых учёных "Актуальные воп -росы теплофизики и физической гидрогазодинамики", Новосибирск, 1987.

2. Всесоюзная школа - семинар "Макроскопическая кинетика и химическая газодинамика", Томок, 1988.

3* Всесоюзный семинар "Рабочие процессы в ДВС с ограниченным отводом тепла", Новосибирск, 1990.

4. Всесоюзная школа - семинар "Макроскопическая кинетика, химическая и магнитная газодинамика",Томск-Красноярск, 1990.

Объём работы. Диссертация общим объёмом 170 машинописных страниц состоит из введения, пяти глав, приложения, списка ли -тературы, включающего 90 наименований, трёх таблиц и 61 рисунка.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе представлен обзор литератур!, посвященной исследованию закрученных потоков и моделированию турбулентности в течениях с закруткой.

Вторая глава посвящена математическому моделированию и результатам численного исследования гидродинамики ламинарного закру -ченного потока.

В первом параграфе приводится система дифференциальных уравнений, описывающая закрученное течение в канале

felf Sfl-

а-Г-iäfU 2. :

эхЦ «х J ■ э^Ц a^J

ч

(I)

"Граничные условия формулируются в виде

.ос.-о : Ф-- Ц*,

ОС = ¿ : "ЭУ/ЭХ-О, ■3^>Jax''0, ^¿f/dX*- о -

гУГ0; ЕрС (2)

Результаты исследования влияния закрутки на течение приводятся во втором параграфе этой главы.

Для характеристики интенсивности закрутки потока различны!® авторами используются различные параметры закрутки: тангенс предельного угла закрутки ¿д ^ , характеризующий степень отклоне -ния предельной линии тока от осевого направления, угловую ско -рость вращения потока -П , характерное значапе циркуляции интегральный параметр закрутки = ^рИ^ъ^ь представляющий собой отношение осевой компоненты потока момента количества движения к произведению осевой компоненты потока количества движения и радиуса канала. Используют также параметры, характеризующие профиль тангенциальной составляющей скорости во входном сечении: а,п.

На рис.1 показано изменение ср=со,с.х)/Ф(о) как функции ^с/Дг при различных , й , п. . Результаты расчётов показывают, что в безрециркуляционных течениях значения Ф , полученные при различных Ре и в ложатся на одну кривую. С появлением рециркуляции этот вывод неверен. Особенно хорошо это заметно при п* О, когда зона возвратных течений появляется при <§> > I, а зависимость становится немонотонной. Кроме того, Ф неоднозначно характеризует условие возникновения рециркуляции. Так при п. = 0 зона рециркуляционных течений возникает при в > 3 ( ср > 1/3), а при п = I ^ з > 6 ( Ф > 1,5) . Поэтому для характеристики крутки будут использоваться параметры, характеризующие распределение крутки на входе: ¿ил-.

Проведено исследование влияния гидродинамических параметров, определяющих расходные характеристики (Ре ), а также интенсивности ( ¿> ) и способа организации закрутки на размеры и форму зон возвратных течений. Отмечается, что если вариации А? при -водят, главным образом, к растяжению (сжатию) рециркуляционной зоны, то в зависимости от значений параметров 3 и п молет существовать как безрециркуляционное течение, так и течение с рециркуляцией (с увеличением & или уменьшением ).

В третьей главе Численно исследуется теплообмен и особенности химического реагирования внутренних закрученных потокоз.

В первом параграфе этой главы рассмотрены особенности тепло-

обмена химически инертного потока в обогреваемом канала. Сов -маетно с системой уравнений (I), описывающей поле течения, здесь решалось уравнение теплопроводности, записанное в безразмерно?.! виде как

( 3 )

Из полученных результатов следует, что закрутка потока увеличивает коэффициент теплоотдачи, однако тепловой поток с закруткой ведёт себя неоднозначно: вблизи от входа возрастает, вниз по потоку - уменьшается (рис.2).

Исследования теплообмзна закрученного потока с внутренним объёмным источником' тепла постоянной интенсивности, проведённые во втором параграфа, показывают, что закрутка потока приводит к уменьшению коэффициента теплоотдачи во всей области течения. На иболее заметно это на начальном участке течения, (рис.3).когда центробеище силы ещё значительна. Вниз по потоку по мере вырок дения закрутки значения лЬ , полученные для закрученных потоков приближаются к //к- для прямоточных. Действительно, увеличение расхода в пристеночной области с закруткой приводит к уменьше -ним времени пребывания реагента в периферийной части реактора, что в свою очередь щашодат к понижению темпов разогрева потока у стенка. Таким образом, наряду с обычным фактором, препятствуют«.! повышению температуры в периферийной области - теолоот' водом - действует ещё один: увеличение скорости прокачки веще -сгва у стенки. Это приводит к тому, что с ростом закрутки про -исходит понижение температуры в пристеночной области (в приосе-вой области напротив, замедление потока приводит к повышению температуры)., температурный профиль становится более пологим у стенки, а тепловой поток уменьшается по абсолют-

ной величине. .

Третий параграф этой главы посвящён исследованию влияния за-круиш на протекание изотермической реакции в цилиндрическом реакторе идеального вытеснения. Математическая постановка задачи включает в себя уравнения (I), а также уравнение для переноса реагента с учитом химической кинетики.

Их!'!?]- ЛШ«]*^1^

( 4 )

Установлено, что закрутка потока способствует более интенсивному протеканию реакции в приосевой области и повышению там кон -центрации продуктов реакции. Однако увеличение эффективности химического превращения на оси с ростом закрутки сопровождается уменьшением этой характеристики на периферии, что нивелирует влияние закрутки на среднерасходную концентрацию.

В четвёртом параграфе численно исследуется протекание эндотермической химической реакции в закрученном потоке. Совместно с-уравнением (I), описывающим течение, решаются теплокинетичес-

с граничными условиями

Найдено, что вблизи от входа теплоотдача увеличивается с закруткой, вниз по потоку - уменьшается (рис.4). Причины, вызывающие такой режим теплообмена, во многом сходны с теплообменом химически инертного потока в обогреваемом канале. С увеличением закрутки интенсифицируется прокачка свежего, ещё не разло -жившегося реагента около горячей стенки, что приводит к повышг-нию скорости химической реакции и, следовательно, теплопоглоще-ния. Таким образом, на начальном участке течения с увеличением закрутки наблюдается понижение температуры в пристеночной обла-

сти и увеличение температурного градиента на стенке.

На участке, где силы трэшш начинают преобладать над центробежными силами, происходит торможение потока у стенки, что приводит к оттоку из периферийной области в приосевую, причём интенсивность оттока увеличивается с закруткой, поэтому распределение температуры в сечении становится более равномерным,сре-днэрасходная температура увеличивается, а тепловой поток от стенки уменьшается.

Таким образом, с увеличением интенсивности закрутки на уча -стке значительного преобладания центробежных сил происходит увеличение коэффициента теплоотдача, на участке вырождения закрут ■ ки - уменьшается.

В четвёртой главе исследуется теплообмен и режимы сжигания газового потока при наличии закрутки на входе.

В первом параграфе этой главы рассмотрено горение закрученного потока в трубчатом реакторе идеального вытеснения, температура стенок которого равна температура потока на входе в трубу. При записи уравнений для температурного и концентрационного полей предполагалось наличие экзотермической реакции, идущей по парному порядку:

А ИхМ?] - ^ [в»]] - й * §ч [ 51?Я ■

")((?, {¡>0 ,

(6 )

В результате анализа полученных численных данных найдено, что с ростом закрутки теплоотдача в предпламенной^оне уменьшается, а после заверления реакции - возрастает.

Механизм воспламенения сла б о з а к руч е н них потоков связан с разогревом вещества вследствие протекания в нём экзотермической

юакции. В сильнозалфученных потоках при определёншх значани-к скорости химической реакции и теплового эффекта происходит (ажигание потока горячими продуктами реакции из рециркуляцион-юй зоны, что приводит к значительному смещению реакционной зо- / ш к входному сечению. С повышением температуры стенок реактора, сак это показано во втором пораграфе, горение потока характеризуйся новыми особенностями. В частности, при достаточно высокой температуре стенки реализуется режим зажигания потока горячей зтенкой.

Целью исследований, выполненных в третьем параграфе, была эценка чувствительности скоростных, температурного и концентраци-энного полей к учёту изменения переносных свойств и плотности по-' гока, вызванных протеканием сальной экзотермической реакции .Как показали расчёты, влияние температурной зависимости плотности и вязкости потока в слабозакрученных потоках на аэродинамику и горение потока незначительно. С ростом закрутки происходит более резкое, чем в изотермических потоках, уменьшение осевой скоро -сти в приосевой области, при этом в термически сжимаемых течениях рециркулящя начинается при меньшей интенсивности закрутка, чем в изотермическом потоке, что связано с возникновением дополнительного источника вихреобразования, вызванного неоднородно -стью поля плотности. Образование рециркуляционной зоны при меньшей интенсивности закрутки в термически сжимаемом потоке может в свою очередь привести к резкому смещению зоны горения к входу по сравнению с потоками с постоянными свойствами (что связано с пождиганием потока рециркуляционной зоной). С дальнейшим ростом закрутки, когда воспламенение и в несжимаемом потоке вызы -вается продуктами сгорания из зоны возвратных течений, различия вновь нивелируются.

Пример применения описанной вы- э математической модели к расчёту течения и горения в противоточной вихревой камере дан в четвёртом параграфе.

На рис.5а показана проекция линий тока на мерадианальнув плоскость при отсутствии закрутки. Резкое расширение потека на входе в камеру приводит к значительному уменьшению здесь осевой скорости. Наблюдается интенсивное стремление потока в приоеввую область, где происходит поворот течения к выходу. В основной части камеры образуется застойная тороидальная зона, в которую вовлекаются незначительные количества вещества. Центробежные силы,

возникающие в закрученном потоке, существенно изменяют поле течения (рис.56), оттесняя шток к стенке и препятствуя,тем самым, его движению в приосевую область. Закрученные массы совершают винтообразные движения вдоль цилиндрической стенки к днищу, где и происходит обращение потока с последующим истечением в приосевую область.

Рис.6 иллюстрирует распределение температуры в камере. Видно, что в незакрученном.потоке реакционная зона занимает незначи -тельную часть камеры, причём её положение оказывается чубстви -тельным к изменению режимных и геометрических параметров. В закрученном потоке положение и конфигурация зоны горения представляет собой тороидальную область, занимающую почти весь объём камеры.

Расчёты также показывают, что полнота сгорания в вихревой камере растёт почти пропорционально тангенсу угла закрутки потока на входе.

В пятой главе рассмотрены особенности течения и воспламенения потока в условиях турбулентности п закрутки потока.

Исследование влияния закрутки на течение и воспламенение в турбулентном закрученном потоке в трубе с использованием пран-дтлевлТ модели турбулентности

щп'(Щ'Шт яш*

( 7 )

показывают, что влияние закрутки на аэродинамику и воспламенение турбулентного потока аналогично ламинарному течению, что позволяет для выяснения сути физико-химических процессов использовать модели эффективно-вязкой среды, в которых турбулентная вязкость определяется как функция числа Рейнольдса и/или параметра закрутки потока на входе.

Анализ влияния на длину предпламекной зоны теплоэнергетических параметров Во. и , характеризующих безразмерный тепловой эффект и скорость реакции, показывает, что с понижением скорости тепловыделения смещается от входа в область гидродинамически стабилизированного течения, дальнейшее уменьшеше интенсивности химической реакции приводит к низкотемпературному

режиму реагирования. Определению критических условий воспламенения в турбулентном потока посвящён второй параграф пятой главы. В результате обработки расчётных данных получены следующие аппроксимационные формулы для длины предпламенной зоны и критического значения параметра Франк - Каменецкого, определяющего границу двух тепловых режимов

О / в '" - £3. 7 £э

ОС* = 51 2 /?., ' ( - /)

„¿о В46

Хе .

( 8 ) ^

Проведённые расчёта также позволяют использовать для числа Нус-сельта следующие зависимости:

- в докритическом режиме

/ --1 г. ° -О О *

Ми. = / 25- ю /?е ехр(5.Ъ/Х ),

1 { 9 )

- в надкритическом режиме

I -г е. веб , . , ,

еур (з а* )•( 1-схр(-(эг,-аг)

( Ю )

И завершает пятую главу рассмотрение течения п горення в прямоточной камере сгорания с переменной по ходу площадью сечения. При моделировании турбулентности используется модель,

скорость реакции определяется по наименьшему значению, полученному из модели распада вихря дли из закона Аррениуса с учётом пульсаций температуры. Отмечается, что закрутка .потока приво -дит к локализации области горения у входа в камору сгорания и стабилизации горения.

ВЫВОДЫ

В диссертации, , . '

1. Разработана программа для расчёта течения, чеплообмена и химического реагирования осесимметричных закрученных потоков в цилиндрических каналах,

2. Исследованы особенности течения в закрученном потоке, в частности, особенности возникновения зоны-рециркуляционных течений.

3. Выполнены расчёты и получены новые данше о теплообмене и химическом реагировании в закрученном потоке при различных значениях гидродинамических и теплоэнергетических параметрах.

(

Показано, что

а) закрутка потока приводит к интенсификации теплоотдачи для химически инертного потока. Однако влияние закрутки на тепловой поток в стенку неоднозначно: на начальном участке течения тепловой поток возрастает с закруткой, вдали от входа в трубу - уменьшается;

б) при течении в трубе закрученного потока с постоянным объёмным источником тепла теплоотдача потока уменьшается с зак -руткой во всей области течения;

в) увеличение химического превращения в приосевой области с закруткой в изотермическом реакторе сопровождается ухудшением этой характеристики на периферии, что нивелирует влияние закрутки на срецнерасходнуга концентрацию.

г) теплоотдача эндотермически реагирующего потока вблизи ст входа в трубу увеличивается с закруткой,' а на значительном удалении от входа - уменьшается;

д) на предплакенном участке течения аррениусовский источник мотаю моделировать источником тепла постоянной интенсивности, при этом температурные поля, а следовательно, и значения теплового потока в стенку и критерия различаются не более, чек на

4. Получены данные об особенностях горения и механизме воспламенения в закрученном потоке. Исследован переход от режима отрыва в режим горения' с увеличением интенсивности закрутки. Показано, что в зависимости от интенсивности закрутки и теплоэнергетических параметров воспламенение потока коне? осущест -вляться за счёт:

а) самовоспламенения потока вследствие протекания в нём экзотермической реакции;

б) зажигания потока от стенок реактора;

в) зажигания потока продуктами сгорания из рециркуляционной зоны.

51 На примере течения и горение в противоточной вихревой камере показано, что закрутка потока приводит к более полному объёму камеры сгорания, стабилизации горения и тЛышению пол -ноты сгорания.

б. Полученные аппроксимационные фори-улы .для определения критических условий воспламенения турбулентного потока длины пред -пламенной зоны и критерия теплоотдачи в докритическсм и нз¡-..критическом режиме реагирования.

- 1л -

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих

работах:

1. Матвиенко О.В. Турбулентный теплообмен и режимы реагирования потока в трубе.// Проблемы механики летательных аппаратов, Томск: Изд-во ТГУ, 1985.

2. Матвиенко О.В. Некоторые особенности теплообмена закрученных потоков.// Актуальные вопросы теплофизики и физической гидро газодинамики. Новосибирск: Изд-во ИТФ СО Ali CGCP, IS87,

С.82 - 83.

3. Дик И.Г., Матвиенко О.В. Теплообмен и режимы реагирования турбулентного потока в трубе.// Инженерно-физический журнал, 1988, Т.54, J? 5, С.860.

4. Дик И.Г., Матвиенко О.В. Некоторые закономерности теплообмена внутренних закрученных потоков.// Известия СО АН СССР,сер. техн.наук, 1989, вып.2, С.40 - 43.

5. Дик И.Г., МатЕиенко О.В. Теплообмен закрученного потока с объёмным источником тепла.// Журнал Прикладной Механики и технической физики, 1989, № 5, С.ИЗ - 116.

6. Дик И.Г., Матвиенко О.В. Влияние закрутки потока в изотерми -ческом реакторе на характеристики химического превращения.// Макроскопическая кинетика и химическая газодинамика, Томск, Изд-во ТГУ, 1989, С.144 - 149.

7. Дик И.Г., Матвиенко О.В. Теплообмен в закрученном потоке при наличии эндотермической реакции.// Теплофизика высоких температур, 1990, » I, С.190 - 191.

8. Дик И.Г., Матвиенко О.В. Моделирование аэродинамики и горения в прямоточной камере сгорания.// Рабочие процессы в ДВС с ограниченным отводом тепла, Новосибирск: Изд-во ИТШ СО АН СССР, 1990, С.23.

9. Дик И.Г., Матвиенко О.В. Теплообмен и горэние закрученного потока в роакторэ идеального вытеснения.// Инженерно-физический журнал, 1991, Т.60, I? 2, С.217 - 225.

Ю.Дик И.Г., Матвиенко О.В. Расчёт режимов сгорания закрученного газового потока в трубчатом реакторе идеального вытеснения.// йизика горения и сзрыаа, 199I, )£ 2, С.6Я - 94.

- Í5 -

Риг. 5

ПОДРИСУНОЧНЫЕ подписи

Рис. I Изменение Ф зниз по штоку, а - п=3, 100Сйе^1 ООО. о<10. б - Ие=1б0. п=0, 1 - 0=1, 2 - 0=4, 3 - о=б, 4 - о=9 .

Рис. 2 Изменение е^ вниз по потоку. Не=160., 1 - о=2, 2 - о=4,

3 - о=б, 4 - о=9.

Рис. 3 Изменение е11ц вниз по потоку I - о=2, 2 - о=3, 3 - о=4

4 - о=6.

Рис 4 Влияние закрутки на теплоотдачу, эндотермически реагирующему потоку.Не=160., Р=8., Ба=0.25, Аг=20., В=1. 1 - 0=3, 2 -о=б, 3 - о=9.

Рис. 5 Линии тока в противоточной ЕКС., Не=1 400, а - о=0.0 1- В=0.1, 2 - В=0.2, 3 - Ш=-0.02, 4 - ©=-0.005,, б - 0=1.0 1 - »=0.1 2 - В=0.2

Рис. 6 Изотермы в противоточной ВКО. Не=1 400., Ба=105, 0а=Т.О 1 - е/еа=о.5, 2 - е/еа=о.75, з - е/еа=о.9 . а - о=0, б - 0=1.